"ม.แอริโซนา" เดินหน้าพัฒนาโซลาร์เซลล์ลงลึกถึงชั้นโมเลกุล

ในขณะที่บางความคิดของคนไทยมองว่า ราคาของพลังงานแสงอาทิตย์นั้นแพงแสนแพง และไม่คุ้มค่ากับการลงทุน (ทั้งๆ ที่บ้านเรามีแดดจัดเกือบทั้งปี) แต่นักวิจัยสหรัฐฯ ก็ยังคงเดินหน้าพัฒนา “เซลล์แสงอาทิตย์” ต่อไปถึงระดับโมเลกุล ที่สามารถกำหนดตำแหน่งได้ในระดับนาโนเมตร

ดิโอ พลาเซนเซีย (Dio Placencia) นักศึกษาปริญญาเอกมหาวิทยาลัยอาริโซนา (University of Arizona) สหรัฐฯ มีความหลงใหลอย่างยิ่งในพลังงานหมุนเวียน และกำลังมุ่งมั่นอยู่กับการเป็นส่วนหนึ่ง ของกลุ่มวิจัยที่จะปฏิวัติเทคโนโลยีพลังงานหมุนเวียน โดยเฉพาะพลังงานแสงอาทิตย์ ซึ่งเขาบอกว่ามีของเสียน้อยที่สุด แต่ทำไมเราถึงไม่ใช้พลังงานสะอาดประเภทนี้

พลาเซนเซียเป็นหนึ่งในกลุ่มวิจัย ที่นำโดย ศ.เนียล อาร์ อาร์มสตรอง (Neal R.Armstrong) แห่งมหาวิทยาลัยอาริโซนา ที่มีเป้าหมายพัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์ ที่ใช้ฟิล์มบางจากสารอินทรีย์ เพื่อให้ได้เซลล์แสงอาทิตย์ที่บาง และยืดหยุ่นจนสามารถให้พลังงานกับเต้นท์ ที่กางในภาคสนามหรือสำหรับชาร์จไฟให้รถยนต์ ระหว่างเดินทางท่องเที่ยวหรือไปทำงาน แล้วมีพลังงานพอในการขับกลับมาได้

“ผมมีแผ่น (เซลล์แสงอาทิตย์) บางๆ อยู่แผ่นนึง ซึ่งนำติดตัวไปทุกที่ ปกติผมจะติดไว้กับกระเป๋าสะพาย และก็ชาร์จโทรศัพท์มือถือเวลาที่เดินไปเรียน” ไซน์เดลีระบุคำพูดของพลาเซนเซีย

ขณะนี้ทั้งมหาวิทยาลัยอาริโซนา อาจารย์ นักวิจัย นักศึกษาและผู้ที่มีส่วนเกี่ยวข้องในการวางแผนนโยบายและวิเคราะห์ความคุ้มค่าทางเศรษฐกิจ ต่างทำงานเพื่อตอบข้อสงสัยของพลาเซนเซีย ว่าเหตุใดเราจึงไม่ใช้พลังงานแสงอาทิตย์

พวกเขากำลังขบปัญหาว่า จะทำให้แสงอาทิตย์เกิดประโยชน์ในระดับเดียวกับโรงไฟฟ้าได้อย่างไร จะควบคุมแสงอาทิตย์เพื่อชาร์จพลังงาน ให้กับผลิตภัณฑ์ใหม่ที่จำเป็นต่อชีวิตประจำวันอย่างโทรศัพท์มือถือ เอ็มพี 3 และโน้ตบุคได้อย่างไร และต้องทำอย่างไร เมื่อไม่ได้รับพลังงานจากท้องฟ้าในยามค่ำคืน และในวันที่มีเมฆปกคลุมได้อย่างไร

ด้านอาร์มสตรองหัวหน้ากลุ่มวิจัย ซึ่งเป็นศาสตราจารย์ทางด้านเคมีและทัศนศาสตร์ รวมทั้งยังสอนเคมีให้กับนักศึกษาชั้นปีที่ 1 ของมหาวิทยาลัยอาริโซนา ได้ตัดสินใจว่า สักวันในช่วงใกล้ๆ ปิดเทอมเขาจะต้องสร้างวัสดุที่เข้าใกล้เป้าหมายได้มากขึ้น และเขายังได้คำถามกับตัวเองว่า เราต้องใช้ถ่านหินไปมากแค่ไหนเพื่อชาร์จไฟให้กับแบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออน ซึ่งให้พลังงานกับมือถือและไอ-พอดที่เขาได้รับจากลูกสาว

“ผมสงสัยว่า เราต้องเผาถ่านหินไปเท่าไหร่เพื่อชาร์จไฟให้กับอุปกรณ์พวกนั้นในแต่ละวัน คุณต้องเผาถ่านหินถึง 1 ใน 4 ปอนด์ (ประมาณ 100 กรัม) ต่อการชาร์จแบตเตอรีลิเธียม-ไอออนแต่ละครั้ง และคุณก็ผลิตคาร์บอนไดออกไซด์ออกมาครึ่งปอนด์ (ประมาณ 200 กรัม) ต่อการชาร์จแบตเตอรี 1 ก้อนในแต่ละวัน” อาร์มสตรองเผย และครั้งต่อไปเขาจะคำนวณว่าเราเผาถ่านหินไปมากแค่ไหนต่อการ “ทวีต” ผ่านทวิตเตอร์ (twitter) 1 ครั้ง

เมื่อ 30 ปีในช่วงที่น้ำมันแพงก่อนอาร์มสตรองได้รับมอบหมายให้วิจัยในการเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานความร้อน แต่เมื่อก๊าซธรรมชาติและพลังงานฟอสซิลถูกลง งานวิจัยของเขาก็ถูกเก็บเข้ากรุไปด้วย จนวันนี้เขากลับมาทำวิจัยเกี่ยวกับพลังงานแสงอาทิตย์อีกครั้ง ซึ่งเขาบอกว่าเวลานี้เป็นช่วงเวลาที่เหมาะสม

“เรารู้ว่าจะนึกภาพโมเลกุลในระดับโมเลกุลได้อย่าง จะวัดพลังงานที่เหลือเชื่อจากฟิล์มบางได้อย่างไร เราได้เรียนรู้ว่าจะสร้างอุปกรณ์เหล่านั้นขึ้นได้อย่างไร เราทำงานร่วมกับนักฟิสิกส์ วัสดุศาสตร์และในสาขาที่เกี่ยวข้อง เราได้ทำสิ่งอื่นที่น่าสนใจหลายอย่าง และผมก็นึกขึ้นได้ว่าผมควรนำสิ่งเหล่านั้นกลับมารวมกันอีกครั้งในงานนี้” อาร์มสตรองกล่าว

ภายในห้องทำงานของอาร์มสตรอง เขาได้แสดงตัวอย่างผลงานไว้ แก้วขนาด 1 ตารางนิ้วที่เคลือบฟิล์มบางสารอินเดียม (ธาตุโลหะชนิดหนึ่งมีสีเงิน) และดีบุก ซึ่งเป็นสื่อนำออกไซด์โปร่งแสง ดังที่เห็นได้ในเทคโนโลยีจอภาพอย่างจอคอมพิวเตอร์ ด้านบนของกระจกเคลือบเคลือบฟิล์มบางของสีย้อมอินทรีย์ ส่วนชั้นบนสุดเคลือบอิเล็กโทรดอะลูมิเนียม

แนวคิดของอาร์มสตรองคือพัฒนาเซลล์อาทิตย์ที่แผ่นพลาสติก ซึ่งสามารถม้วนและคลื่ออกได้ และมีสายไปสำหรับเสียบเพื่อชาร์จไฟให้กับแบตเตอรีหรือโน้ตบุคได้ โดยความหนาของแผ่นโซลาร์เซลล์อยู่ที่ 400 นาโนเมตร ซึ่งเล็กกว่าเส้นผม 10 เท่า เมื่อมีแสงอาทิตย์ฉายลงบนไปจะได้กระแสไฟฟ้าออกมา แต่ทีมวิจัยอยากได้เซลล์แสงอาทิตย์ที่หนากว่านี้ หากแต่ความบางของเซลล์แสงอาทิตย์มีผลต่อการนำกระแสไฟฟ้าที่ได้ทั้งหมดออกมา

“หากนึกถึงรูปร่างแบบแซนด์วิช เราก็ผลิตแซนด์วิชที่มีรูปร่างบางเหลือเชื่อ แต่ละชั้นสัมผัสกับอีกชั้นในตำแหน่งการจัดวางองค์ประกอบทางเคมีและในทิศทางระดับโมเลกุลและยึดติดกันแน่น หากผมเปลี่ยนแปลงชั้นโมเลกุลซึ่งจัดวางกันที่ความหนาเพียง 1 นาโนเมตรนั้น ผมก็อาจทำให้อุปกร์ณที่ดีเจ๊ง หรือไม่ก็ทำอุปกรณ์ที่ใช้การไม่ได้กลายเป็นอุปกรณ์ชั้นเยี่ยมได้ ซึ่งการควบคุมที่ความหนาระดับนี้เป็นสิ่งที่เราต้องการมาก แต่เราก็ยังเข้าใจกลไกนี้ไม่เต็มที่” อาร์มสตรองกล่าว

อาร์มสตรองยังนำเสนอเทคโนโลยีที่ดูคล้ายกับน้ำหมึก เป็นน้ำหมึกสีน้ำเงินที่ฉีดลงพื้นผิวของแผ่นฟิล์มบางแล้ว จะทำให้โมเลกุลในระดับนาโนเมตรพร้อมที่จะทำงาน เมื่อนำด้านอิเล็กโทรดไปรับแสงก็จะได้กระแสไฟฟ้าออกมาปริมาณมาก

อย่างไรก็ดีไซน์เดลีระบุว่า ขณะนี้มีกล้องจุลทรรศน์เชิงแสงที่ทำให้เห็นภาพระดับโมเลกุลและเผยให้คุณสมบัติทางไฟฟ้าและการจัดเรียงของตำแหน่งต่างๆ ได้ ซึ่งจะช่วยให้ทีมวิจัยเข้าใจในปัญหาข้างต้นได้ ซึ่งเป้าหมายของอาร์มสตรองคือการหาวิธีทำให้โมเลกุลจัดเรียงตัวเองได้ตลอดเวลา ในทิศทางที่จะผลิตกระแสไฟฟ้าได้มากๆ เหมือนกันทหารตัวเล็กที่รักษาระเบียบแถวตลอดเวลา