แผงโซลาร์เซลล์ที่ผลิตไฟฟ้าจากแสงและเงา

          เราทุกคนต่างรู้ดีว่าโลกกำลังเผชิญกับปัญหาการเปลี่ยนแปลงภูมิอากาศ (Climate Change) เนื่องจากภาวะโลกร้อน (Global Warming) ที่สาเหตุหลักเกิดจากฝีมือมนุษย์ ด้วยเหตุนี้ พลังงานฟอสซิล (Fossil Energy) ที่ปลดปล่อยแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ในปริมาณมากจึงถูกลดบทบาทลง ขณะที่พลังงานหมุนเวียน (Renewable Energy) ที่ปลดปล่อยแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ต่ำกว่ากำลังมีบทบาทมากขึ้น แผงโซลาร์เซลล์ (Solar Panel) เป็นเทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์ (Solar Energy) รูปแบบหนึ่งที่ไม่ปลดปล่อยแก๊สเรือนกระจก (Greenhouse Gas) ขณะทำงาน แต่แผงโซลาร์เซลล์มีข้อจำกัดสำคัญอย่างหนึ่งในการเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานไฟฟ้า กล่าวคือแผงโซลาร์เซลล์จะทำงานได้ไม่เต็มประสิทธิภาพเมื่อมีเงาตกกระทบบนหน้าแผงเรียกว่า ผลกระทบจากเงา (Shading Effect)


          ผลกระทบจากเงามักเกิดจากวัตถุต่างๆ เช่น อึนก ใบไม้ ต้นไม้ เสาไฟฟ้า สิ่งก่อสร้าง และเมฆ ที่ปลิวลงมาติดหรือพาดผ่านบนหน้าแผงโซลาร์เซลล์ ปัจจุบัน เราสามารถจัดการปัญหาเหล่านี้ได้โดยการเลือกสถานที่ติดตั้งที่เปิดโล่ง ทำความสะอาดแผงโซลาร์เซลล์เป็นประจำ และการติดตั้งบายพาสไดโอด (Bypass Diode) ภายในกล่องรวมสาย (Junction Box) ที่อยู่บริเวณด้านหลังของแผงโซลาร์เซลล์เพื่อบรรเทาการลดต่ำลงของกำลังไฟฟ้า แต่งานวิจัยใหม่ของทีมนักวิจัยจาก National University of Singapore (NUS) ที่ถูกรายงานในวารสาร Energy & Environmental Science เมื่อวันที่ 15 เมษายน ค.ศ. 2020 ที่ผ่านมาได้สร้างความเปลี่ยนแปลงครั้งใหม่ให้กับเทคโนโลยีแผงโซลาร์เซลล์


          ทีมนักวิจัยจาก NUS ได้สร้างสิ่งที่เรียกว่า Shadow-effect Energy Generator (SEG) จากวัสดุทองคำที่มีความหนาประมาณ 15 นาโนเมตรที่ถูกติดลงบนแผ่นฟิล์มพลาสติกที่ยืดหยุ่นและโปร่งใส จากนั้นตรวจสอบการทำงานด้วย Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM) ซึ่งเป็นการศึกษาศักย์ไฟฟ้าบนพื้นผิววัสดุด้วยกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม (Atomic Force Microscope หรือ AFM) ก่อนติดตั้งแผ่นฟิล์มที่มีเซลล์ SEG ลงบนโซลาร์เซลล์ที่ทำจากวัสดุซิลิกอน


          หลักการทำงานของเซลล์ SEG มีอยู่ว่าเมื่อแสงหรือเงาตกกระทบทั่วทั้งเซลล์ กำลังไฟฟ้าที่เซลล์ผลิตได้จะต่ำมากหรือมีค่าเท่ากับศูนย์ แต่เมื่อส่วนหนึ่งของเซลล์ได้รับแสงจะเกิดความต่างศักย์และกระแสไฟฟ้าออกมาจำนวนหนึ่ง จากผลการทดลองในห้องปฏิบัติการพบว่าเซลล์ SEG จะทำงานได้อย่างเต็มประสิทธิภาพเมื่อพื้นที่ครึ่งหนึ่งได้รับแสงและอีกครึ่งหนึ่งอยู่ภายในเงา โดยเซลล์จำนวน 4 เซลล์จะมีความหนาแน่นของพลังงาน 0.14 ไมโครวัตต์ต่อตารางเซนติเมตรภายใต้สภาพที่มีความเข้มแสง 0.001 เท่าของดวงอาทิตย์ และมีประสิทธิภาพเป็น 2 เท่าเมื่อเทียบกับโซลาร์เซลล์ที่ทำจากวัสดุซิลิกอนที่ถูกใช้ในเชิงพาณิชย์
            ทีมนักวิจัยกล่าวว่าคุณสมบัติที่โดดเด่นของเซลล์ SEG มี 2 ประการ ประการแรกคือการเปลี่ยนความแตกต่างของแสงและเงาให้เป็นพลังงานไฟฟ้า และประการที่สองคือสามารถประยุกต์เป็นเซนเซอร์ตรวจจับการเคลื่อนที่ของวัตถุจากการเคลื่อนไหวของเงา ซึ่งเซนเซอร์ดังกล่าวสามารถทำงานได้ด้วยตนเองโดยไม่จำเป็นต้องอาศัยแหล่งพลังงานจากภายนอก ขอเพียงมีแสงและเงาตกกระทบบนเซลล์


          ในลำดับถัดไป ทีมนักวิจัยจะทดลองใช้วัสดุอื่นที่ไม่ใช่ทองคำเพื่อลดต้นทุนของเซลล์ SEG เพื่อให้สามารถผลิตได้ในเชิงพาณิชย์ และเซลล์สามารถขับเคลื่อนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็กที่มีศักย์ไฟฟ้า 1.2 โวลต์ เมื่อทำงานภายใต้ความเข้มแสง 0.0025 เท่าของดวงอาทิตย์ ด้วยเหตุนี้ ทีมนักวิจัยจึงหาลู่ทางประยุกต์เซลล์ร่วมกับอุปกรณ์อื่นๆ เช่น สมาร์ทโฟน สมาร์ทวอช สมาร์ทกลาส และอุปกรณ์เก็บเกี่ยวพลังงานจากแสงสว่างในอาคาร ซึ่งเซลล์ SEG อาจเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีที่เปิดทางไปสู่ความเป็นไปได้ใหม่ๆ อีกมากมายในอนาคต

 

อ้างอิง

• https://news.nus.edu.sg/research/using-shadow-effect-generate-electricity?fbclid=IwAR2FKfHzONMkLjqZp8FUQaFmotVCdrNJLkRuXjrzfBvX6IfDnYXvhRCKRyA
• https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ee/d0ee00825g?fbclid=IwAR0hsuQk77HVxsJ9o4HAQ4GhbIFiM84t0l-PShAEOO0CpcQTRgNZZDMFqUo#!divAbstract