มาริสา คุณธนวงศ์
ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ

ตอบ

ตัวทำละลายพิเศษ (extra solvent) หรือเรียกว่าตัวทำละลายร่วม (co-solvent) ที่ถูกเติมระหว่างกระบวนการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์แบบพลาสติกนั้น ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพให้กับเซลล์แสงอาทิตย์ได้ 2 – 3 เท่าตัว เปรียบได้กับการทำงานของผงฟูกำลังหนึ่ง (single acting baking powder) หรือกำลังสอง (double acting baking powder) ที่ช่วยเรื่องการขึ้นฟูในแป้งโดว์

อย่างไรก็ตาม ยังไม่มีใครทราบถึงกลไกที่เกิดขึ้น จนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้เองที่ ทีมวิจัยจาก Eindhoven University of Technology ได้นำเทคโนโลยีเชิงแสงมาช่วยวิเคราะห์จนได้คำตอบว่า

ตัวทำละลายพิเศษนั้นช่วยเพิ่มประสิทธิภาพให้กับเซลล์แสงอาทิตย์แบบพลาสติกได้ด้วยการทำให้เกิดการรวมกลุ่มของพอลิเมอร์ตั้งแต่ระยะแรก ฟูลเลอรีนจึงไม่รวมตัวกลายเป็นฟองก่อนที่จะเข้ากระบวนการแข็งตัว เนื่องจากการเกิดฟองในเซลล์นั้นส่งผลลบต่อการทำงานของเซลล์แสงอาทิตย์ ดังนั้น เมื่อเซลล์ที่ได้ไม่มีฟอง มันจึงมีประสิทธิภาพเพิ่มสูงขึ้น

ความเป็นมา

เซลล์แสงอาทิตย์แบบพลาสติก หมายถึงเซลล์แสงอาทิตย์อินทรีย์ที่ใช้พอลิเมอร์แทนการใช้ซิลิคอนเพื่อเปลี่ยนพลังงานจากแสงอาทิตย์ให้เป็นพลังงานไฟฟ้า

การใช้พลาสติกเป็นวัสดุหลักนั้นจะช่วยลดต้นทุนการผลิตลง ช่วยทำให้เซลล์มีน้ำหนักเบา และมีความยืดหยุ่นโค้งงอได้มากกว่าการใช้ซิลิคอนเป็นวัสดุหลัก

แต่อย่างไรก็ตาม เมื่อเปรียบเทียบประสิทธิภาพการใช้งานแล้ว พบว่าเซลล์แสงอาทิตย์แบบพลาสติกนั้นยังมีประสิทธิภาพการใช้งานที่ต่ำกว่าเซลล์แสงอาทิตย์ซิลิคอนที่ใช้กันอยู่ในปัจจุบันถึง 10 เปอร์เซ็นต์ ดังนั้น เราจึงต้องหาวิธีเพิ่มประสิทธิภาพให้กับเซลล์แสงอาทิตย์แบบพลาสติก เพื่อให้สามารถใช้งานได้จริงและมีประสิทธิภาพเทียบเท่ากับเซลล์แสงอาทิตย์แบบซิลิคอน

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนไมโครสโคปแสดงให้เห็น ความแตกต่างระหว่างการที่ไม่มีและมีการสร้างหยดหรือฟองของฟลูเลอรีนในสารละลาย

เป็นที่ทราบกันดีว่า สัณฐานวิทยาของเซลล์แสงอาทิตย์นั้นมีรอยต่อของพลาสติกสองชนิดที่เป็นองค์ประกอบของเซลล์ ซึ่งเป็นตำแหน่งที่พบกระบวนการถ่ายเทของอิเล็กตรอนเมื่อเซลล์ไดัรับการกระตุ้นจากแสงอาทิตย์

โดยทั่วไปในกระบวนการผลิต พลาสติกทั้งสองชนิดจะละลายและระเหยจนเข้าสู่กระบวนการแข็งตัว ซึ่งถ้าหากไม่มีการเติมตัวทำละลายพิเศษก่อนที่สารละลายพลาสติกนั้นจะแข็งตัว ก็มักพบว่าฟลูเลอรีนจะรวมตัวกันเป็นหยด (droplet) หรือฟอง (bubble) (ดังภาพ)

ฟองหรือหยดที่เกิดขึ้นมีผลกระทบด้านลบต่อการถ่ายเทอิเล็กตรอน แต่ในทางตรงกันข้าม ฟองจะมีขนาดเล็กลงและสลายไปในที่สุดหากมีการเติมตัวทำละลายพิเศษก่อนที่สารละลายจะแข็งตัว

จากภาพเปรียบเทียบถึงกระบวนการแข็งตัวของสารผสมพลาสติกในกรณีที่มีการเติมตัวทำละลายร่วม (ภาพขวาล่าง) แสดงให้เห็นการรวมกันของสายโซ่พอลิเมอร์ เมื่อเทียบกับกรณีที่ไม่เติมตัวทำละลายร่วม (ภาพซ้ายล่าง) แสดงให้เห็นการรวมตัวกลายเป็นหยดของฟลูเลอรีน

ความลับที่ถูกเปิดเผย

กลไกที่ตัวทำละลายพิเศษนี้สามารถลดขนาดหยดของฟลูเลอรีนลงจนหายไปได้นั้น เกิดจากการที่สารละลายพอลิเมอร์ระเหยจนทำให้สายโซ่พอลิเมอร์เปลี่ยนโครงสร้างกลายเป็นโครงสร้างที่มีการพับทบโค้งไปมา (‘folded’ structure) ซึ่งนักวิจัยสังเกตเห็นว่า ตัวทำละลายพิเศษนี้ทำให้กระบวนการพับเกิดขึ้นตั้งแต่ระยะเริ่มต้นของกระบวนการแข็งตัว นั่นหมายความว่า ท้ายที่สุดหยดของเหลวหรือฟองทั้งหมดจะไม่สามารถเกิดขึ้นได้อีกต่อไปนั่นเอง

ทิ้งท้าย

อย่างไรก็ตาม กลไกที่ถูกเปิดเผยนี้ เป็นผลงานวิจัยที่เพิ่งถูกค้นพบอาจต้องติดตามกันต่อไปว่าสิ่งที่นักวิจัยอธิบายนั้น มีข้อมูลสนับสนุนเพิ่มเติมอีกมากน้อยเพียงใด

ข้อมูลอ้างอิงและเพิ่มเติม

https://www.tue.nl/en/university/news-and-press/news/06-02-2015-why-baking-powder-increases-efficiency-of-plastic-solar-cells/

งานวิจัยฉบับเต็ม : Hans van Franeker et al., A real-time study of the benefits of co-solvents in polymer solar cell processing, Nature Communications (6 February 2015, online). DOI:10.1038/ncomms7229

Scroll Up