"อบให้ได้ฟอง" วิธีเพิ่มประสิทธิภาพเซลล์อาทิตย์พลาสติก

นักวิจัยสหรัฐฯ พบวิธีเพิ่มประสิทธิภาพ เปลี่ยนแสงเป็นพลังงานให้โซลาร์เซลล์พลาสติก หลังบันทึกภาพฟองเล็กๆ ในพลาสติก ที่ช่วยให้วัดปริมาณกระแสไฟฟ้าได้แม่นยำ นำไปสู่การคัดเลือกวัสดุที่เหมาะสม และเข้าใกล้เป้าหมายประสิทธิภาพการเปลี่ยนพลังงานแสงแดดให้เป็นพลังงานไฟฟ้าได้ 10%

เดวิด จิงเกอร์ (David Ginger) ผู้ช่วยศาสตราจารย์เคมีแห่งมหาวิทยาลัยวอชิงตัน (University of Washington) สหรัฐอเมริกา พร้อมทีมวิจัยพบวิธีบันทึกภาพฟองเล็กๆ และช่องอากาศภายในเซลล์แสงอาทิตย์พลาสติก ซึ่งเล็กกว่าเส้นผมมนุษย์ 10,000 เท่า โดยฟองเหล่านี้ เกิดขึ้นภายในเนื้อพอลิเมอร์ระหว่างกระบวนการอบ ที่เรียกว่า "แอนเนียลิง" (annealing) อันเป็นกระบวนการที่ใช้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของวัสดุ

ทั้งนี้ ไซน์เดลีซึ่งรายงานผลงานวิจัยของจิงเกอร์ระบุว่า นักวิจัยทั่วโลกต่างพยายามพัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์อินทรีย์ ซึ่งผลิตได้ง่ายและราคาไม่แพงในรูปของฟิล์มบาง ซึ่งสามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้ แต่อุปสรรคใหญ่คือการรวมวัสดุฐานคาร์บอนเหล่านี้ให้รูปโครงสร้างที่เหมาะสมในระดับนาโน เพื่อให้มีประสิทธิภาพสูงในการแปลงแสงเป็นไฟฟ้า โดยเป้าหมายคือไฟฟ้า 10% จากแสงที่วัสดุดูดกลืน

สำหรับทีมของจิงเกอร์นั้น พวกเขาสามารถวัดได้โดยตรงว่า ฟองและช่องอากาศภายในพลาสติกนำกระแสไฟฟ้าได้เท่าเท่าใด ซึ่งนำไปสู่การวัดประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ได้แม่นยำว่าเปลี่ยนแสงไปเป็นไฟฟ้าได้เท่าไหร่ โดยส่วนตัวจิงเกอร์เองเชื่อว่าวิธีนี้จะนำไปสู่ความเข้าใจที่ชัดเจนขึ้นว่า วัสดุไหนที่สร้างภายใต้เงื่อนไขใดจะนำไปสู่เซลล์แสงอาทิตย์ที่มีประสิทธิภาพ 10%

นักวิจัยส่วนใหญ่ จะผลิตเซลล์แสงอาทิตย์โดยการรวมวัสดุ 2 ชนิดเข้าด้วยกันในแผ่นฟิล์มบาง จากนั้นอบเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของวัสดุทั้งสอง ในกระบวนการนี้จะเกิดฟองและช่องอากาศมากเหมือนกับกระบวนการอบแป้งเค้ก ฟองและช่องอากาศเหล่านี้ส่งผลต่อการเปลี่ยนแสงไปเป็นไฟฟ้า และปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ส่งตรงจากสายที่ต่อออกจากเซลล์ โดยจำนวนและรูปร่างของฟองและช่องอากาศขึ้นอยู่กับการให้ความร้อนและระยะเวลาในการให้ความร้อน

แม้ว่าฟองและช่องอากาศ จะจำเป็นต่อการเพิ่มประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ แต่ยังเป็นเรื่องยากที่จะเข้าใจความสัมพันธ์ระหว่างเวลาในการอบ ขนาดของฟอง การเชื่อมต่อระหว่างช่องว่าง กับประสิทธิภาพในการแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้า
 
บางแบบจำลองถูกใช้เป็นแนวทางเพื่อพัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์พลาสติกโดยเพิกเฉยต่อโครงสร้างที่มีผลต่อประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์นี้ และสรุปเอาว่าการรวมวัสดุ 2 ชนิดให้เป็นแผ่นฟิล์มเซลล์แสงอาทิตย์นั้น จะทำให้ได้สสารที่ราบเรียบและเป็นเนื้อเดียวกัน ซึ่งการสรุปเช่นนี้ทำให้ยากต่อความเข้าใจว่าจะเพิ่มประสิทธิภาพให้กับพอลิเมอร์ในเชิงวิศวกรรมได้อย่างไร

สำหรับงานวิจัยที่ทำอยู่นี้ ทีมนักวิทยาศาสตร์ได้ผสม "โพลีธิโอฟีน" (polythiophene) และ "ฟูลเลอรีน" (fullerene) วัสดุต้นแบบซึ่งเป็นพื้นฐานของงานวิจัยเซลล์แสงอาทิตย์อินทรีย์ เนื่องจากการตอบสนองต่อสิ่งที่มีผลต่างๆ อย่างเช่น การให้ความร้อนทำให้รวมเข้ากับวัสดุอื่นได้ เป็นต้น โดยวัสดุจะถูกอบเข้าด้วยกัน ณ อุณหภูมิต่างๆ และระยะเวลาที่ไม่เท่ากัน

อย่างไรก็ดี จิงเกอร์ให้ข้อสังเกตว่างานวิจัยนี้ยังไม่เข้าใกล้ประสิทธิภาพ 10% แต่ผลที่ได้จะเป็นประโยชน์อย่างยิ่งต่อแนวทางในการแสดงให้เห็นว่า วิธีการผสมวัสดุแบบใหม่และการอบด้วยเวลา-อุณหภูมิที่ต่างกันนั้น ทำให้เกิดฟองและช่องอากาศที่จะทำให้พอลิเมอร์มีประสิทธิภาพตามมาตรฐานขั้นต่ำได้.