กระบวนการซิงเล็ตฟิชชั่น เพิ่มประสิทธิภาพของโซลาร์เซลล์ด้วยสมบัติทางควอนตัมสปิน

ภาพตัวอย่างโซลาร์เซลล์ที่ทำจากซิลิคอน (จาก https://rs63.lucia-umami.de )
 

          พลังงานจากแสงอาทิตย์มีความสำคัญกับสิ่งมีชีวิตบนโลกมาเป็นเวลาหลายล้านปีแล้ว ตั้งแต่ระดับไซยาโนแบคทีเรีย สิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวดึกดำบรรพ์ที่สามารถสังเคราะห์แสงได้ เรื่อยมาถึงพืชพรรณชนิดต่างๆ ที่ส่งเสริมชีวิตอื่นๆ อีกมากมาย เรียกได้ว่าเป็นแหล่งพลังงานที่ยั่งยืนและมีปริมาณมหาศาลอย่างแท้จริง สิ่งมีชีวิตดึกดำบรรพ์เหล่านี้ได้เปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานเคมี สะสมไว้ในเซลล์และทับถมกันมา ก่อเกิดเป็นเชื้อเพลิงฟอสซิล จำพวกน้ำมันและถ่านหิน ที่เราใช้กันอยู่ในปัจจุบัน [1] เชื้อเพลิงฟอสซิลนี้ แม้ว่าจะมีความสำคัญกับกิจกรรมต่างๆ ในการดำเนินชีวิตของเรา แต่ถือว่าเป็นแหล่งพลังงานที่ไม่ยั่งยืนและในการใช้งานนั้น ต้องปล่อยแก้สเรือนกระจกขึ้นสู่บรรยากาศในปริมาณมาก ดังนั้นการพัฒนาพลังงานทดแทน ที่สะอาด ยั่งยืน และเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม เพื่อลดการใช้เชื้อเพลิงฟอสซิลให้น้อยลงจึงมีความสำคัญมาก ณ ขณะนี้ 


         การใช้พลังงานจากแสงอาทิตย์โดยตรงเป็นทางเลือกที่น่าสนใจและมีการวิจัยและพัฒนามาอย่างต่อเนื่อง ในปัจจุบันได้มีการใช้งานบ้างแล้ว แต่ก็ยังนับว่าเป็นสัดส่วนที่น้อยมากเมื่อเทียบกับแหล่งพลังงานหลัก อย่างเชื้อเพลิงฟอสซิล โซลาร์เซลล์คืออุปกรณ์ที่เป็นตัวกลางในการเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์ให้เป็นพลังงานไฟฟ้าที่ใช้งานได้ โดยใช้ความสามารถของวัสดุประเภทกึ่งตัวนำไฟฟ้าเป็นตัวกลางในการดูดซับแสงอาทิตย์ แล้วใช้พลังงานนั้นสร้างพาหะนำไฟฟ้า คือ อิเล็กตรอนและโฮลขึ้นมาในวัสดุ อิเล็กตรอนปกติในสภาวะพื้น (valence band) จะถูกดึงดูดเอาไว้โดยนิวเคลียสของอะตอม ทำให้มันไม่สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ แต่เมื่อมันถูกกระตุ้นจากพลังงานภายนอก มันจะกระโดดขึ้นไปยังสถานะกระตุ้นของวัสดุ (conduction band) สามารถเคลื่อนที่และก่อให้เกิดกระแสไฟฟ้าได้ ส่วนโฮล (hole) คือช่องว่างที่เกิดขึ้นจากการสูญเสียอิเล็กตรอนของสถานะพื้นหรือเราสามารถมองเป็นเสมือนประจุบวกได้ ตัวโฮลนี้จะเคลื่อนที่อยู่ในสถานะพื้นของวัสดุ อนุภาคทั้งสองไหลเวียนไปก่อเกิดเป็นกระแสไฟฟ้า พลังงานภายนอกที่ใส่เข้าไปแล้วทำให้เกิดอิเล็กตรอนและโฮลได้นั้นจะต้องมีปริมาณมากพอที่จะเติมเต็มช่องว่างระหว่างสถานะพื้นและสถานะกระตุ้นของวัสดุได้  เรียกค่าพลังงานนี้ว่า band gap energy (Eg) ดังแสดงในภาพด้านล่าง 
 

ภาพแสดงการใช้งานแสงอาทิตย์ในแต่ละช่วงความยาวคลื่นของโซลาร์เซลล์ (ซ้าย) และภาพแสดงการดูดกลืนพลังงานแสงที่มีค่าเท่ากับและมากกว่าค่าช่องว่างพลังงานที่ต้องการในวัสดุ ทำให้เกิดอิเล็กตรอนในสภาวะกระตุ้นและโฮลในสภาวะพื้น (ขวา)

        ทั้งนี้ แสงอาทิตย์ที่ถูกส่งมายังโลกนั้น จะมาในรูปแบบของสเปกตรัม คือเป็นส่วนผสมของคลื่นแสงที่มีความถี่หลากหลาย ไล่เรียงกันไปตั้งแต่รังสียูวี แสงสีที่เรามองเห็นได้ จนไปถึงอินฟราเรด แสงแต่ละความถี่จะมีพลังงานต่างกัน เราอาจมองแสงในรูปของอนุภาคตัวหนึ่งที่สามารถถ่ายเทพลังงานไปยังอิเล็กตรอนได้ เรียกว่า โฟตอน โฟตอนหนึ่งตัวมีพลังงาน (E) เท่ากับค่าคงที่ของพลังค์ (h) คูณกับความถี่ของแสง (f) หรือ E = hf ดังนั้นโฟตอนของแสงที่ความถี่ต่างกันก็จะมีค่าพลังงานที่ต่างกัน  โฟตอนของแสงที่มีพลังงานมากกว่าหรือเท่ากับค่าพลังงานที่ต้องการ (Eg) เท่านั้น ที่จะถูกดูดกลืนและสร้างกระแสไฟฟ้าได้ โดยปกติแล้วโฟตอนหนึ่งตัว (พลังงาน hf ) จะกระตุ้นอิเล็กตรอนได้หนึ่งตัว หากอิเล็กตรอนถูกกระตุ้นด้วยโฟตอนที่มีพลังงานสูง มันอาจกระโดดขึ้นไปสูงขึ้น แต่ท้ายที่สุดแล้ว มันจะปลดปล่อยพลังงานส่วนเกินออกมาในรูปของความร้อนและใช้เฉพาะค่าพลังงาน Eg ที่มันต้องการเท่านั้น โซลาร์เซลล์ที่เราใช้กันอยู่ทั่วไปทำมาจากซิลิคอน ซึ่งเป็นวัสดุกึ่งตัวนำที่หาได้ง่ายและดูดกลืนแสงตั้งแต่ช่วงพลังงานต่ำ (อินฟราเรดและสูงขึ้นไป) จึงใช้งานช่วงแสงได้ค่อนข้างกว้าง แต่ด้วยค่าพลังงานที่ต้องการมีค่าต่ำนี้เอง มันจึงต้องสูญเสียพลังงานส่วนเกินไปในปริมาณมาก หากเราแก้ปัญหาตรงนี้ได้จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของโซลาร์เซลล์ได้มากทีเดียว


        ปัจจุบันมีการศึกษาทางวัสดุใหม่ๆ เพื่อมาแก้ปัญหาเหล่านี้อย่างหลากหลาย การใช้วัสดุกึ่งตัวนำอินทรีย์ก็เป็นทางเลือกหนึ่งที่ได้รับความสนใจเป็นอย่างมาก เพราะนอกจากจะมีต้นทุนในการผลิตที่ต่ำกว่า วิธีการง่ายกว่า และยังให้ความสามารถใหม่ๆ เช่น โปร่งแสงและโค้งงอได้ เป็นต้นแล้ว ยังให้ความยืดหยุ่นในการปรับปรุงโครงสร้างทางเคมีได้มากกว่า จึงสามารถปรับคุณสมบัติการดูดกลืนแสงในช่วงความถี่แสงที่แตกต่างออกไปได้ง่าย

ภาพแสดงกระบวนการและสมบัติสปินของซิงเล็ตฟิชชัน (singlet fission)

        ในวัสดุอินทรีย์บางประเภท ยังสามารถเกิดปรากฏการณ์ที่เรียกว่า ซิงเล็ตฟิชชัน (singlet fission) [2] เป็นกระบวนการที่มีความสามารถพิเศษ ให้โอกาสในการเพิ่มกระแสไฟฟ้าได้เป็นสองเท่าจากโซลาร์เซลล์แบบปกติ โดยเมื่อโมเลกุลหนึ่งของวัสดุได้ดูดกลืนโฟตอนที่มีพลังงานสูงไปแล้ว มันจะแบ่งพลังงานนั้นกับโมเลกุลข้างเคียง แล้วสร้างพาหะไฟฟ้า (ที่มีพลังงานต่ำลง) บนทั้งสองโมเลกุล กระบวนการนี้มีความน่าสนใจมากและอาจนำไปใช้ประโยชน์ได้หลากหลาย พาหะไฟฟ้าอิเล็กตรอนและโฮลในวัสดุอินทรีย์ส่วนใหญ่มีความแตกต่างจากวัสดุอนินทรีย์ เนื่องมาจากสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ภายในของวัสดุ โดยเมื่อพาหะทั้งสองนี้ถูกกระตุ้นขึ้นมาแล้ว มันจะยังมีปฏิกิริยาต่อกันอยู่ จับคู่กันไปได้นาน เราจึงสามารถมองคู่ประจุอิเล็กตรอนและโฮลนี้ เป็นอนุภาคเสมือนหนึ่งตัว เรียกว่า เอ็กซิตอน (exciton)  


        คุณสมบัติหนึ่งของเอ็กซิตอนที่มีความสำคัญต่อกระบวนการซิงเล็ตฟิชชัน คือ สปิน (spin) เป็นคุณสมบัติทางควอนตัมฟิสิกส์ ที่มีลักษณะคล้ายโมเมนตัมเชิงมุมของอนุภาค การจัดเรียงตัวของสปินของอนุภาคภายในเอ็กซิตอนที่แตกต่างกัน ทำให้เกิดระดับชั้นพลังงานที่ต่างกันของโมเลกุลสารอินทรีย์ และสปินยังมีส่วนในการกำหนดการเข้าถึงระดับชั้นพลังงานหนึ่งๆ อีกด้วย ในระบบของเอ็กซิตอนที่เสมือนประกอบด้วยอิเล็กตรอนสองตัว สามารถมีค่าควอนตัมสปินได้ 2 ค่า คือ 0 และ 1 ระดับชั้นที่มีค่าควอนตัมปินรวมเท่ากับ 0 เรียกว่า ซิงเล็ต (singlet) คือมีหนึ่งเดียว ส่วนค่าควอนตัมสปินรวมเท่ากับ 1 เรียกว่า ทริปเล็ต (triplet) ซึ่งมีระดับชั้นพลังงานย่อยไปอีก 3 ชั้น ที่เกิดจากการเรียงตัวของสปินของแต่ละอิเล็กตรอนที่ต่างกัน แต่ยังมีค่าควอนตัมสปินรวมเท่ากัน ระดับชั้นทริปเล็ตนี้โดยทั่วไปจะมีพลังงานต่ำกว่าซิงเล็ต แต่ทว่ามันไม่สามารถถูกกระตุ้นเข้าไปได้โดยตรง เนื่องมาจากสถานะพื้นของโมเลกุลส่วนใหญ่จะมีค่าควอนตัมสปินรวมเท่ากับ 0 เมื่อถูกกระตุ้นก็จะเลื่อนสถานะไปยังสปินประเภทเดียวกันคือ ซิงเล็ต นี้เอง ในกระบวนการซิงเล็ตฟิชชัน หากพลังงานของชั้นทริปเล็ตเหมาะสม คือเท่ากับหรือน้อยกว่าครึ่งหนึ่งของพลังงานชั้นซิงเล็ต (หรืออาจมากกว่าได้เล็กน้อย) โมเลกุลนั้นจะสามารถแบ่งพลังงานของเอ็กซิตอนในชั้นซิงเล็ตกับโมเลกุลข้างเคียงที่ยังอยู่ในสถานะพื้น แล้วสร้างเอ็กซิตอนบนชั้นทริปเล็ตของทั้งสองโมเลกุลแทน ดังที่กล่าวไปแล้วว่านอกจากพลังงานที่เหมาะสมแล้ว สมบัติสปินก็มีความสำคัญที่จะจำกัดการเปลี่ยนระดับพลังงานได้ ดังนั้นการที่จะเปลี่ยนสมบัติสปินจากชั้นซิงเล็ตไปยังทริปเล็ตได้อย่างรวดเร็วและมีประสิทธิภาพนั้น ต้องมีตัวช่วยเสริม ทำหน้าที่เป็นสื่อกลางระหว่างสองระบบสปิน มีงานวิจัยจำนวนมากได้ให้ความเห็นตรงกันว่า คู่เอ็กซิตอนบนชั้นทริปเล็ตของทั้งสองโมเลกุล จะต้องมีปฏิกิริยาต่อกันในทำนองที่ทำให้การเรียงตัวสปินของเอ็กซิตอนทั้งสองนั้นรักษาค่าควอนตัมสปินรวมเท่ากับ 0 ไว้ให้ได้ อาจพูดอย่างง่ายว่า ถ้าทริปเล็ตเอ็กซิตอนตัวหนึ่งสปินขึ้น อีกตัวต้องสปินลงเพื่อหักล้างกัน จึงสามารถเชื่อมต่อกับเอ็กซิตอนแบบซิงเล็ตในตอนต้นได้ กระบวนการนี้ทำให้ซิงเล็ตฟิชชันในวัสดุอินทรีย์ เกิดขึ้นได้อย่างรวดเร็วในระดับเฟมโตวินาทีถึงพิโควินาทีเลยทีเดียว หลังจากนั้นคู่เอ็กซิตอนแบบทริปเล็ตที่ได้ ก็จะสามารถแยกตัวไปให้เกิดเป็นทริปเล็ตเอ็กซิตอนเดี่ยวๆ หรืออิเล็กตรอนที่สามารถเคลื่อนที่ได้อิสระในขั้นตอนต่อๆ ไป ในโครงสร้างโซลาร์เซลล์

 
ภาพแสดงการใช้งานวัสดุซิงเล็ตฟิชชั่นร่วมกับเซลล์สุริยะแบบซิลิคอน

         การใช้งานปรากฏการณ์ซิงเล็ตฟิชชันนี้สามารถใช้งานแบบเดี่ยวๆ ก็ได้ หรือนำไปรวมกับวัสดุอื่นที่ดูดกลืนแสงต่างช่วงกันทำให้ใช้พลังงานแสงอาทิตย์อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น ตัวอย่างเช่น หากนำไปรวมกับซิลิคอน ที่ใช้งานกันอยู่ทั่วไป จะสามารถเพิ่มประสิทธิภาพสูงสุดที่เป็นไปได้ จาก 30% เป็น 45% เลยทีเดียว 


         การศึกษาปรากฏการณ์ซิงเล็ตฟิชชัน นับว่าเป็นความท้าทายอย่างหนึ่ง เนื่องจากปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นเร็วและมีสภาวะที่เกี่ยวข้องในระหว่างกระบวนการที่ยุ่งยาก และยังมีผลมาจากปัจจัยภายนอกอื่นๆ ด้วย เช่น โครงสร้างการเรียงตัวของโมเลกุล การสั่นของโมเลกุล อุณหภูมิ เป็นต้น จึงจำเป็นต้องใช้เทคนิคทางเลเซอร์ที่ซับซ้อน เพื่อศึกษาสมบัติเชิงแสง รวมทั้งเทคนิคทางแม่เหล็กเพื่อศึกษาสมบัติสปินที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการด้วย ความรู้ ความเข้าใจ ในเรื่องนี้จะมีประโยชน์มากทั้งในด้านของการใช้งานจริงและการสร้างองค์ความรู้ใหม่ในวงการวิทยาศาสตร์
         

เรียบเรียงโดย

ชนกานต์ พันสา
นักศึกษาปริญญาเอก ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ ประเทศอังกฤษ

อ้างอิง
[1]    M. J. Y. Tayebjee, D. R. McCamey, and T. W. Schmidt, “Beyond Shockley–Queisser: Molecular Approaches to High-Efficiency Photovoltaics,” J. Phys. Chem. Lett., vol. 6, no. 12, pp. 2367–2378, 2015.
[2]    A. Rao and R. H. Friend, “Harnessing singlet exciton fission to breakt he Shockley-Quisser limit,” Nat. Rev., vol. 2, p. 17063, 2017.