เรือดำน้ำพลังงานแสงอาทิตย์และแผงโซลาร์เซลล์ที่ทำงานได้ในตอนกลางคืน

            ในหมู่พลังงานหมุนเวียน (Renewable Energy) พลังงานแสงอาทิตย์ (Solar Energy) เป็นเทคโนโลยีที่มาแรงที่สุด หากย้อนเวลากลับไปราวทศวรรษที่แล้ว แผงโซลาร์เซลล์ (Solar Panel) ในขณะนั้นยังมีข้อจำกัดหลายอย่าง ไม่ว่าจะเป็นประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานไฟฟ้า (Power Conversion Efficiency) ที่ค่อนข้างต่ำ กำลังไฟฟ้าที่ลดต่ำลงเมื่ออุณหภูมิของเซลล์สูงขึ้น ความผันผวนของการผลิตไฟฟ้าเนื่องจากแสงอาทิตย์ที่ผลุบๆ โผล่ๆ รวมถึงการหยุดทำงานอย่างสิ้นเชิงเมื่อดวงอาทิตย์ตกลับขอบฟ้า จากข้อจำกัดข้างต้น แผงโซลาร์เซลล์รุ่นใหม่จึงถูกพัฒนาขึ้นเพื่อบรรเทาปัญหาเหล่านั้น ตัวอย่างเช่นแผงโซลาร์เซลล์ประสิทธิภาพสูงจากวัสดุ Perovskite ระบบลดอุณหภูมิของแผงโซลาร์เซลล์ แบบจำลองการเคลื่อนตัวของกลุ่มเมฆเหนือโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ ไปจนถึงแผงโซลาร์เซลล์แบบ Triboelectric Nano-generator (TENG) ที่สามารถผลิตไฟฟ้าได้ขณะมีฝนหรือหิมะตก เป็นต้น


          แผงโซลาร์เซลล์ส่วนใหญ่ทำจากวัสดุซิลิกอน (Silicon) ที่มีประสิทธิภาพราว 15 ถึง 20 เปอร์เซ็นต์เมื่อทำงานภายใต้แสงอาทิตย์ แต่เมื่อแผงโซลาร์เซลล์ชนิดนี้ถูกนำไปใช้งานใต้ผิวน้ำ ประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานไฟฟ้าจะลดต่ำลงอย่างมาก เนื่องจากซิลิกอนมีช่องว่างระหว่างแถบพลังงาน (Band-Gab) ที่ค่อนข้างแคบ อีกทั้งแสงอาทิตย์จะเกิดการกระเจิง (Scattering) และถูกดูดกลืน (Absorb) จนเกือบหมดภายในน้ำที่ลึกมากกว่า 2 เมตร ทำให้แผงโซลาร์เซลล์ชนิดซิลิกอนไม่สามารถทำงานได้

            กระทั่งเดือนมีนาคมที่ผ่านมา ทีมนักวิจัยจาก New York University ได้ตีพิมพ์งานวิจัยลงในวารสาร Joule โดยงานวิจัยดังกล่าวเป็นการพัฒนาต้นแบบโซลาร์เซลล์ที่มีช่องว่างระหว่างแถบพลังงานกว้างเพื่อให้เซลล์สามารถทำงานได้แม้จะถูกแช่เอาไว้ใต้น้ำ โดยพวกเขาได้รวบรวมข้อมูลการดูดกลืนสเปกตรัมของแสงภายในน้ำของมหาสมุทรแปซิฟิก แอตแลนติก และสถานที่อื่นๆ จากงานวิจัยกว่า 400 ฉบับเพื่อสร้างแบบจำลองการส่องผ่านและดูดกลืนแสงในน้ำทะเล จากแบบจำลองข้างต้น นักวิจัยพบว่าที่ระดับน้ำลึก 2 เมตร ช่องว่างระหว่างแถบพลังงานที่เหมาะสมจะมีค่าประมาณ 1.8 อิเล็กตรอนโวลต์ ส่วนที่ระดับน้ำลึก 50 เมตร ช่องว่างระหว่างแถบพลังงานที่เหมาะสมจะมีค่าประมาณ 2.4 อิเล็กตรอนโวลต์ หากสามารถพัฒนาวัสดุสารกึ่งตัวนำที่มีช่องว่างระหว่างแถบพลังงานที่เหมาะสมกับความลึกของน้ำได้สำเร็จ นักวิจัยคาดว่าโซลาร์เซลล์รูปแบบใหม่จะมีประสิทธิภาพราว 55 ถึง 65 เปอร์เซ็นต์ของค่าประสิทธิภาพสูงสุดเมื่อถูกใช้งานในน้ำที่ใสบริสุทธิ์ (ไม่คิดปัจจัยเรื่องความขุ่นของน้ำ) ซึ่งการค้นคว้านี้อาจเป็นใบเบิกทางให้กับเทคโนโลยีพลังงานใหม่ๆ รวมถึงเรือดำน้ำพลังงานแสงอาทิตย์อีกด้วย           การทำให้แผงโซลาร์เซลล์ทำงานใต้น้ำได้เป็นเรื่องท้าทาย แต่การทำให้แผงโซลาร์เซลล์ทำงานได้ในเวลากลางคืนนั้นท้าทายยิ่งกว่า แต่เมื่อเดือนมกราคมที่ผ่านมาก็มีงานวิจัยต้นแบบที่แสดงให้เห็นว่าการพัฒนาแผงโซลาร์เซลล์ชนิดพิเศษที่สามารถทำงานในเวลากลางคืนนั้นอาจเป็นไปได้ โดยงานวิจัยดังกล่าวเป็นผลงานของทีมนักวิจัยจาก University of California-Davis ที่ตีพิมพ์ลงในวารสาร ACS Photonics โดยการทำงานของแผงโซลาร์เซลล์ดังกล่าวจะอาศัยหลักการที่ว่าแผงโซลาร์เซลล์และพื้นผิวโลกจะดูดกลืนรังสีอินฟราเรดเอาไว้ในเวลากลางวัน แต่เมื่อดวงอาทิตย์ตกลับขอบฟ้า รังสีอินฟราเรดจะแผ่ออกสู่บรรยากาศที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า จากนั้นรังสีอินฟราเรดหรือความร้อนค่าน้อยๆ ดังกล่าวจะถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้าด้วยอุปกรณ์ที่เรียกว่า Thermo-radiative Cell ซึ่งนักวิจัยคาดว่าพื้นที่ 1 ตารางเมตรของโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์จะสามารถผลิตไฟฟ้าในเวลากลางคืนได้ประมาณ 50 วัตต์ต่อตารางเมตรหรือราว 25 เปอร์เซ็นต์ของไฟฟ้าที่ผลิตได้ในเวลากลางวันเมื่ออยู่ในสภาวะที่เหมาะสม           แม้งานวิจัยทั้งสองจะยังเป็นเพียงแบบจำลอง แต่การพัฒนาอย่างก้าวกระโดดของเทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์ตลอดทศวรรษที่ผ่านมาก็แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานที่ค่อนข้างสะอาดและมีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งต่อการบรรเทาปัญหาภาวะโลกร้อน (Global Warming) ซึ่งแน่นอนว่าในอนาคตอันใกล้จะต้องมีเทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์แบบใหม่ๆ ออกมาให้เห็นอย่างแน่นอน

 

อ้างอิง

• https://scitechdaily.com/more-efficient-underwater-solar-cells-with-optimal-materials/?fbclid=IwAR2lB0KRyBwsNB7rpOkoN8USuUKkW1YCJxisVO_yulHujaPPU3aPARm2Nd8
• https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435120300830?fbclid=IwAR08wMbTfKemlIytso94Cm2lRulGXTsJOF7eV6LlurWhT2WkGn-OeEuE2WA
• https://www.sciencealert.com/here-s-how-solar-panels-could-soon-be-generating-power-at-night/amp?fbclid=IwAR09YRXIx_1pu6en8JfOivtVm9E2wqoi8iDHc1Ehivr9XQlOYP58xLXEBHk
• https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.9b00679?fbclid=IwAR01OQwIKuG0DA6xMLChYPFHhvqRWVkt8MRkWY_Zc1ngRSy6dajP4_I9je8