เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสารอินทรีย์ (OPVs) แบบโปร่งใสและการนำไปใช้ประโยชน์

(ภาพจาก https://www.sciencenewsforstudents.org/article/how-turn-greenhouse-into-solar-powerhouse)

ตั้งแต่เซซาร์ เบคเกอเรล (Antoine César Becquerel) ค้นพบปรากฏการณ์โฟโตวอลเทอิก (Photovoltaic Effect) ในปี ค.ศ. 1839 หลังจากนั้นเกือบร้อยปีนักวิทยาศาสตร์ก็สามารถผลิตกระแสไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์ได้โดยตรง การผลิตพลังงานไฟฟ้าจากเซลล์แสงอาทิตย์ (solar cell) นับเป็นพลังงานทางเลือกที่สะอาด ฟรีและมีใช้ได้ไม่มีหมดตราบใดที่ยังมีดวงอาทิตย์ แต่ปัญหาคือแผงเซลล์แสงอาทิตย์ (solar panel) นั้นกินพื้นที่ ถ้าในพื้นที่เกษตรกรรม คนต้องเลือกใช้พื้นที่ระหว่างเป็นพื้นที่ทำเกษตรกรรมกับเป็นพื้นที่ผลิตพลังงานด้วยเซลล์แสงอาทิตย์ แต่ในงานวิจัยใหม่นี้จะช่วยแก้ปัญหานี้ได้ด้วยเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสารอินทรีย์


Yuqiang Liu และคณะได้ตีพิมพ์งานวิจัยหัวข้อ “Unraveling Sunlight by Transparent Organic Semiconductors toward Photovoltaic and Photosynthesis” ลงในวารสาร ACS Nano เมื่อวันที่ 3 มกราคม ปี ค.ศ. 2019 วิธีการคือสร้างเรือนกระจกสำหรับเพาะปลูกพืชโดยที่หลังคาเป็นแผงเซลล์แสงอาทิตย์แบบโปร่งใส ฉะนั้นในพื้นที่เดียวกันเราก็สามารถทำเกษตรกรรมข้างล่างและผลิตพลังงานบริเวณด้านบนของหลังคา กุญแจสำคัญของการแก้ปัญหานี้คือแผงเซลล์แสงอาทิตย์แบบโปร่งใส


Liu และคณะได้เน้นศึกษาวิจัยด้านเซลล์แสงอาทิตย์หรือเซลล์โฟโตวอลเทอิก (Photovoltaic cell) ซึ่งส่วนใหญ่แล้วทำมาจากซิลิกอน แต่ทีมนักวิจัยนี้ได้หันไปใช้วัสดุจากคาร์บอนแทน ซึ่งเราเรียกมันว่า OPVs ย่อมาจากorganic photovoltaics ซึ่งมันก็คือเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสารอินทรีย์นั่นเอง OPVs นั้นมีข้อดีคือมันมีลักษณะยืดหยุ่นและผลิตได้ง่าย ไม่นานมานี้กระแสของงานวิจัย OPVs คือการทำให้มันโปร่งใส

(a) แนวคิดการใช้เรือนกระจกสำหรับเพาะปลูกพืชโดยที่หลังคาเป็นแผงเซลล์แสงอาทิตย์แบบโปร่งใส
(b) การดูดกลืนสเปกตรัมของ donor/acceptor blend film ที่ต่างกัน
(ภาพจาก https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.8b08577)

เมื่อ OPVs โปร่งใสเราก็สามารถสร้างหลังคาเรือนกระจกสำหรับเพาะปลูกพืชด้วย OPVs และแสงที่ทะลุผ่านมาก็ให้พลังงานพืชให้เจริญเติบโตด้วยการสังเคราะห์ด้วยแสง (photosynthesis) ได้ แสงจากดวงอาทิตย์เป็นแสงสีขาว แต่จริง ๆแล้วประกอบด้วยแสงหลากหลายสีหรือหลากหลายความยาวคลื่น นิวตันเป็นผู้ค้นพบความจริงนี้ด้วยการใช้ปริซึม แสงที่เราเห็นนั้นประกอบด้วยความยาวคลื่นหลากหลายตั้งแต่ 400-700 นาโนเมตร เซลล์แสงอาทิตย์ในงานวิจัยนี้ยอมให้แสงที่เรามองเห็นผ่านได้ เราจึงมองเห็นมันโปร่งใส แต่เซลล์แสงอาทิตย์จะต้องดูดกลืนแสงบางอย่างไปด้วยเพื่อผลิตไฟฟ้า ซึ่งในงานวิจัยนี้มันดูดกลืนแสงอินฟาเรด (infared light) ซึ่งมีความยาวคลื่น 700 นาโนเมตรถึง 1 มิลลิเมตร แสงจากดวงอาทิตย์ประมาณครึ่งหนึ่งเป็นแสงอินฟาเรด ซึ่งมนุษย์มองไม่เห็น ส่วนพืชนั้นไม่ต้องการแสงอินฟาเรด มันต้องการแสงในช่วงที่แคบของย่านแสงที่มองเห็นได้ พืชส่วนมากดูดกลืนแสงสีแดงและแสงสีน้ำาเงินและสะท้อนแสงสีเขียวและเหตุนี้แองทำให้เรามองเห็นพืชเป็นสีเขียว 


งานวิจัยนี้ออกแบบการทดลองได้ดีและรัดกุมโดยแบ่งกลุ่มการทดลองเป็น 3 กลุ่มคือ เป็นการปลูกต้นถั่วเขียวทั้งหมดเหมือนกัน โดยกลุ่มแรกปลูกโดยไม่ปกปิดทำให้มันได้รับแสงจากดวงอาทิตย์อย่างปรกติ กลุ่มที่สองปลูกโดยได้รับแสงอาทิตย์ผ่าน OPVs ชนิดโปร่งใส และกลุ่มที่สามถูกปิดด้วยแผ่นอลูมิเนียมไม่ได้รับแสงอาทิตย์เลย จากการทดลองพบว่า เมื่อผ่านไป 13 วัน ต้นถั่วเขียวกลุ่มแรกและกลุ่มที่สองเจริญเติบโตได้ดีเหมือนกัน ขณะที่กลุ่มที่สามเจริญเติบโตได้ไม่ดีนักและมีความกว้างของใบเล็กกว่าสองกลุ่มแรกมาก

(c) ความสูงของต้นถั่วเขียวในการทดลองกลุ่มที่ 1 (สีดำ) กลุ่มที่ 2 (สีดำ) และกลุ่มที่ 3 (สีน้ำเงิน) เมื่อผ่านไป 14 วัน
(d) ลักษณะของต้นถั่วเขียวกลุ่มที่ 1, 2 และ 3 ตามลำดับจากซ้ายไปขวา
(ภาพจาก https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.8b08577)

จากการทดลองยังพบว่า OPVs  ที่ใช้ในการทดลองมีประสิทธิภาพร้อยละ 10 ในขณะที่เซลล์แสงอาทิตย์ที่ใช้ทำหลังคาเรือนกระจกสำหรับเพาะปลูกพืชโดยทั่วไปมีประสิทธิภาพร้อยละ 18  ซึ่งก็ถือว่า OPVs แบบโปร่งใส ที่ใช้ในการทดลองนี้มีประสิทธิภาพดีพอสมควร แต่ในอนาคตสามารถปรับปรุงพัฒนาได้อีก  ในประเทศไทย มีภาควิชาฟิสิกส์และคณะวิศวกรรมศาสตร์หลายแห่งทำงานวิจัยเรื่องเซลล์แสงอาทิตย์ งานวิจัยเรื่อง OPVs แบบโปร่งใสนี้น่าสนใจ และสามารถนำไปศึกษาพัฒนาต่อยอดได้ เพื่อเป็นอีกหนึ่งพลังงานทางเลือกแก้ปัญหาเรื่องความมั่นคงด้านพลังงาน และเหมาะสำหรับพื้นที่ที่มีปัญหาขนาดของพื้นที่ เพื่อใช้พื้นที่ให้เกิดประโยน์สูงสุด


 

เรียบเรียงโดย

ณัฐพล โชติศรีศุภรัตน์
ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ

• [1] https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.8b08577
• [2] https://energyeducation.ca/encyclopedia/Photovoltaic_cell
• [3] https://www.sciencenewsforstudents.org/article/how-turn-greenhouse-into-solar-powerhouse
• [4] https://ienergyguru.com/2015/06/photovoltaic-effect/