ตัวปลดปล่อยรังสีแบบใหม่เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตไฟฟ้าจากความร้อน

        วัตถุร้อนที่อุณหภูมิ 1055 ºC แผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าด้วยความยาวคลื่นในแถบรังสีเนียร์อินฟราเรดที่สามารถเปลี่ยนรูปไปเป็นพลังงานไฟฟ้าได้โดยอาศัยเซลล์แสงอาทิตย์ที่มีช่องว่างพลังงานต่ำ แต่ประสิทธิภาพการเปลี่ยนรูปพลังงานของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดนี้ยังต่ำกว่า 20% ซึ่งเป็นค่าประสิทธิภาพต่ำสุดสำหรับการนำไปใช้งานจริงหรือผลิตขายในเชิงการค้า ในปีนี้ นักวิทยาศาสตร์ได้ออกแบบและเตรียมตัวปลดปล่อยรังสีและตัวกรองรังสีซึ่งเป็นอุปกรณ์ทางทัศนศาสตร์แบบใหม่ที่สามารถช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการเปลี่ยนรูปพลังงานของเซลล์แสงอาทิตย์ที่มีอยู่ให้สูงถึง 24.1% ที่อุณหภูมิ 1055 ºC  

        พลังงานความร้อนนับได้ว่าเป็นรูปแบบหนึ่งของพลังงานที่เราคุ้นเคยกันดี ตั้งแต่เช้าเราใช้พลังงานความร้อนเพื่อหุงต้มอาหาร เพื่อชงชากาแฟ และบางคนยังใช้เพื่อชำระร่างกาย เมื่อออกนอกบ้านในยามพระอาทิตย์สาดส่องเราก็รู้สึกถึงความร้อนที่แผดเผาผิวหนัง และเมื่อถึงห้องทำงานพวกเรายังต้องเปิดเครื่องปรับอากาศเพื่อดึงเอาอากาศร้อนออกไปทิ้งนอกห้อง พลังงานความร้อนเหล่านี้มีอยู่รอบๆ ตัวเรา มันลอยล่องอยู่ในอากาศในรูปแบบของการชนกันของโมเลกุลอากาศ มันฝังตัวอยู่ในวัสดุรอบๆ ตัวเราในรูปแบบของการชนกันของอิเล็กตรอนและการสั่นของอะตอม แต่ทว่าพวกเรายังนำเอาพลังงานความร้อนเหล่านี้มาใช้ให้เกิดประโยชน์ได้น้อยมาก 

        ที่ผ่านมาเรามีวิธีเปลี่ยนรูปพลังงานความร้อนไปเป็นพลังงานไฟฟ้าเพื่อนำไปใช้ประโยชน์ เช่น ตัวผลิตไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริก (thermoelectric generator) ซึ่งประกอบขึ้นมาจากสารกึ่งตัวนำบิสมัทเทลลูไลด์ (Bi₂Te₃) เมื่อนำตัวผลิตไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริกไปติดเข้ากับแหล่งกำเนิดความร้อนแล้ว ความแตกต่างอุณหภูมิบนตัวผลิตไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริกจะก่อให้เกิดแรงดันไฟฟ้าตามปรากฏการณ์ซีเบค (Seebeck effect) พลังงานไฟฟ้าที่ผลิตได้จากตัวผลิตไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริกมีค่ามากขึ้นเมื่ออุณหภูมิของแหล่งกำเนิดความร้อนสูงขึ้น แต่อย่างไรก็ตาม วัสดุเทอร์โมอิเล็กทริก Bi₂Te₃ หลอมเหลวที่อุณหภูมิเกิน 350 ºC พลังงานความร้อนที่อุณหภูมิสูงนี้มักจะถูกนำไปใช้ผลิตไอน้ำเพื่อหมุนไดนาโนผลิตไฟฟ้า แต่การลงทุนสร้างระบบผลิตไฟฟ้าด้วยวิธีหลังนี้มีขนาดใหญ่ ราคาแพง และใช้พื้นที่ค่อนข้างเยอะ ดังนั้นอุปกรณ์ผลิตไฟฟ้าจากพลังงานความร้อนสูงที่มีราคาถูกและขนาดกะทัดรัดกว่าจึงเป็นที่ต้องการ       

        แทนที่เราจะนำเอาอุปกรณ์เก็บเกี่ยวพลังงานความร้อนไปแตะเข้ากับแหล่งกำเนิดความร้อนที่มีอุณหภูมิสูงโดยตรงเหมือนอย่างในกรณีของตัวผลิตไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริก เราสามารถวางอุปกรณ์เก็บเกี่ยวพลังงานความร้อนไว้ให้ห่างจากแหล่งกำเนิดความร้อนเพื่อลดอุณหภูมิการทำงานของอุปกรณ์ลง แล้วให้อุปกรณ์ของเราเก็บเกี่ยวรังสีความร้อนที่แผ่ออกมาจากแหล่งกำเนิดความร้อนแทน เทอร์โมโฟโตโวลตาอิก (thermophotovoltaic: TPV) คืออุปกรณ์ดังกล่าว 

        จากหลักการแผ่รังสีของวัตถุดำ เราทราบว่าวัตถุใดๆ ก็ตามที่มีอุณหภูมิสูงกว่าศูนย์องศาสัมบูรณ์ (0 K) จะแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าหรือแผ่รังสีออกจากตัวมันเสมอ ตัวอย่างที่ใกล้ตัวเรามากที่สุดคือตัวเราเอง อุณหภูมิเฉลี่ยของร่างกายมนุษย์คือ 37 ºC ซึ่งจะแผ่รังสีอินฟราเรด (IR) ในขณะที่พื้นผิวของดวงอาทิตย์มีอุณหภูมิประมาณ 5505 ºC ซึ่งจะแผ่รังสีที่ตามองเห็น ส่วนแหล่งกำเนิดความร้อนเช่นที่อุณหภูมิ 1055 ºC จะแผ่รังสีเนียร์อินฟราเรด (NIR) รูปที่ 1 แสดงปริมาณความเข้มแสง (กำลังของแสงต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่) ต่อความยาวคลื่นสำหรับความยาวคลื่นค่าต่างๆ ของรังสีที่แผ่ออกมาจากร่างกายมนุษย์(เส้นสีแดง) พื้นผิวดวงอาทิตย์(เส้นสีน้ำเงิน) และแหล่งกำเนิดความร้อนที่อุณหภูมิ 1055 ºC(เส้นสีเขียว) จะเห็นได้ว่ารังสีที่ปลดปล่อยออกมาเป็นแถบพลังงานต่อเนื่องและมีตำแหน่งสูงสุดของความเข้มแสงที่ความยาวคลื่นค่าหนึ่งดังที่กำกับไว้ในรูป ถ้าอุณหภูมิลดลงแล้วความยาวคลื่นดังกล่าวนี้จะเคลื่อนตัวไปทางแถบรังสี IR ที่เรารู้จักกันดีว่าเรดชิฟต์พร้อมด้วยปริมาณความเข้มแสงที่ลดลงอย่างฮวบฮาบ เช่น ความเข้มแสงสูงสุดของรังสีที่พื้นผิวดวงอาทิตย์แผ่ออกมามีค่ามากกว่าค่าดังกล่าวของแหล่งกำเนิดความร้อนที่อุณหภูมิ 1055 ºC อยู่ถึง 1560 เท่า เป็นต้น 

        เซลล์แสงอาทิตย์ทั่วไปทำมาจากสารกึ่งตัวนำซิลิกอน (Si) ที่มีช่องว่างพลังงาน (energy gap) ตรงกับความยาวคลื่น 1.12 ไมโครเมตร (พลังงาน 1.11 eV) ^[2] เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดนี้สามารถเปลี่ยนรังสีที่มีความยาวคลื่นสั้นกว่า 1.12 ไมโครเมตร (พลังงานสูงกว่า 1.11 eV) ให้เป็นพลังงานไฟฟ้าได้ อุปกรณ์ TPV ใช้สารกึ่งตัวนำอินเดียมแกลเลียมอาเซไนด์ (InGaAs) ที่มีช่องว่างพลังงานต่ำกว่าคือ 0.6 eV ตรงกับความยาวคลื่น 2.07 ไมโครเมตร ทำให้มันสามารถเก็บเกี่ยวรังสี NIR ที่แผ่ออกมาจากแหล่งกำเนิดความร้อนที่มีอุณหภูมิสูงกว่า 1000 ºC ได้ แต่อุณหภูมิก็ไม่ควรมากจนเกินไปเพราะอาจทำให้สารกึ่งตัวนำหลอมละลาย แต่อย่างไรก็ตาม InGaAs ไม่สามารถเปลี่ยนรังสีที่มีความยาวคลื่นสูงกว่า 2.07 ไมโครเมตร (พลังงานต่ำกว่า 0.6 eV) ให้เป็นพลังงานไฟฟ้าได้ รังสีเหล่านี้จะสูญเสียไปในรูปของความร้อนที่ไม่สามารถนำกลับมาผลิตเป็นพลังงานไฟฟ้าด้วย InGaAs แต่อุปกรณ์ TPV ช่วยให้เราสามารถนำเอาพลังงานของรังสีความร้อนที่สูญเสียไปนี้กลับมาเปลี่ยนรูปเป็นพลังงานไฟฟ้าอีกครั้ง ทำให้ประสิทธิภาพการเปลี่ยนรูปพลังงานมีค่าสูงขึ้น              

รูปที่ 1 การแผ่รังสีวัตถุดำของพื้นผิวดวงอาทิตย์(เส้นสีน้ำเงิน) แหล่งกำเนิดความร้อนที่อุณหภูมิ 1055 ºC(เส้นสีเขียว) และร่างกายมนุษย์(เส้นสีแดง) ตำแหน่งความยาวคลื่นที่ให้ค่าความเข้มแสงสูงสุดสำหรับเส้นสีน้ำเงิน เส้นสีเขียว และเส้นสีแดง คือ 502 นาโนเมตร, 2.18 ไมโครเมตร, และ 9.35 ไมโครเมตร ตามลำดับ กราฟเส้นสีเขียวคูณด้วยแฟคเตอร์ 103 และกราฟเส้นสีแดงคูณด้วยแฟคเตอร์ 106 เพื่อให้สามารถเปรียบเทียบกับกราฟเส้นสีน้ำเงินได้ กราฟเหล่านี้พล็อตจากสมการในเอกสารอ้างอิง ^[1]        

        เคล็ดลับของ TPV อยู่ที่การดัดแปลงสเปคตรัมของรังสีที่แผ่ขยายออกมาจากแหล่งกำเนิดความร้อน ให้เฉพาะรังสีที่มีพลังงานสูงกว่าช่องว่างพลังงานของ InGaAs เท่านั้นที่สามารถแผ่ขยายออกมาจากแหล่งกำเนิดความร้อนได้ การที่เราจะทำแบบนั้นได้เราต้องเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติการแผ่รังสีของพื้นผิวของแหล่งกำเนิดความร้อน วิธีการที่นักวิทยาศาสตร์ได้คิดค้นขึ้นคือการสร้างอุปกรณ์ทัศนศาสตร์ที่เรียกว่า “ตัวปลดปล่อยรังสี” (selective emitter) ขึ้นมาใหม่ ตัวปลดปล่อยรังสีมีคุณสมบัติการปลดปล่อยรังสีตามที่เราต้องการสำหรับ TPV ดังกล่าวข้างต้นและจะต้องมีจุดหลอมเหลวสูงด้วย เมื่อนำเอาตัวปลดปล่อยรังสีไปติดไว้บนพื้นผิวของแหล่งกำเนิดความร้อนแล้ว ความร้อนก็จะไหลจากแหล่งกำเนิดความร้อนไปสู่ตัวปลดปล่อยรังสี จากนั้นรังสีจะแผ่ขยายออกจากพื้นผิวของตัวปลดปล่อยรังสีด้วยสเปคตรัมของตัวปลดปล่อยรังสีตามที่เราได้ออกแบบไว้ จะเห็นได้ว่าเราสามารถควบคุมและดัดแปลงการแผ่รังสีของวัตถุร้อนได้ตามที่เราต้องการโดยการออกแบบตัวปลดปล่อยรังสี 

        เมื่อเดือนกุมภาพันธ์ของปีนี้ ทีมนักวิจัยจากสหรัฐอเมริกาซึ่งนำโดย David N. Woolf ได้ประดิษฐ์ตัวปลดปล่อยรังสีขึ้นแล้วสาธิตการทดลองให้เห็นเป็นครั้งแรกว่าประสิทธิภาพของ TPV สูงถึง 24.1% ที่อุณหภูมิ 1055 ºC ^[3] ตัวปลดปล่อยรังสีเป็นโครงสร้างสี่ชั้นวางอยู่บนแผ่นวางอลูมินา ชั้นแรก (นับจากล่างขึ้นบน) คือแผ่นโลหะแพลตตินัมความหนา 200 นาโนเมตร ชั้นที่สองคือแผ่นฉนวนไฟฟ้าอลูมินาความหนา 90 นาโนเมตร ชั้นที่สามคืออาเรย์ของอนุภาคแพลตตินัมรูปทรงกระบอกที่มีความสูงเพียง 45 นาโนเมตรและเส้นผ่านศูนย์กลางเพียง 250 นาโนเมตร อนุภาคแพลตตินัมนาโนเหล่านี้วางตัวแบบซ้ำๆ ตามแกน x และ y ด้วยคาบ 650 นาโนเมตรเท่ากันทั้งสองแกน โครงสร้างนี้สามารถประดิษฐ์ขึ้นได้ด้วยเทคนิคลิโธกราฟฟี (lithography) ที่มีอยู่แล้ว ชั้นที่สี่หรือชั้นบนสุดคือแผ่นอลูมินาความหนา 150 นาโนเมตร รูปที่ 2(ซ้าย) แสดงรูปเชิงแผนภาพของบางส่วนของตัวปลดปล่อยรังสีซึ่งไม่รวมชั้นที่สี่ ส่วนรูปที่ 2(ขวา) แสดงมุมมองด้านบนของบางส่วนของตัวปลดปล่อยรังสีจริงในการทดลองซึ่งไม่รวมชั้นที่สี่
 

รูปที่ 2 บางส่วนของตัวปลดปล่อยรังสีซึ่งไม่รวมชั้นที่ 4 สีน้ำเงินแทนอลูมินาและสีเทาแทนแพลตตินัม เส้นสีเหลืองแทนความยาว 1 ไมโครเมตร 

        แต่อย่างไรก็ตาม ตัวปลดปล่อยรังสีนี้ก็ยังไม่สมบูรณ์แบบ กล่าวคือยังมีรังสีที่มีพลังงานต่ำกว่าช่องว่างพลังงานของสารกึ่งตัวนำเล็ดลอดออกจากตัวปลดปล่อยรังสีได้ ถึงแม้ว่าพลังงานที่สูญเสียไปนี้จะมีค่าน้อยแต่มันสามารถส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพโดยรวมของ TPV ได้ นักวิจัยแก้ปัญหานี้โดยการประดิษฐ์ตัวกรองรังสีหรือฟิลเตอร์ (filter) ที่สะท้อนรังสีซึ่งมีพลังงานอยู่ในช่วง 2-5 ไมโครเมตร แต่ยอมให้รังสีที่มีพลังงานสูงกว่าช่องว่างพลังงานของสารกึ่งตัวนำผ่านไปได้ รังสีพลังงานต่ำกว่าช่องว่างพลังงานจะโดนสะท้อนกลับไปมาระหว่างตัวกรองรังสีและตัวปลดปล่อยรังสีจนกระทั่งพวกมันถูกตัวปลดปล่อยรังสีดูดกลืนไปจนหมดสิ้น จากนั้นพวกมันจะโดนเปลี่ยนรูปกลับไปเป็นพลังงานความร้อนอีกครั้งภายในตัวปลดปล่อยรังสี ดังนั้นตัวกรองรังสีจึงช่วยให้เกิดการรีไซเคิลพลังงานระหว่างพลังงานของรังสีและพลังงานความร้อนเพื่อนำเอาเฉพาะรังสีที่มีพลังงานเหมาะสมเท่านั้นมาผลิตเป็นพลังงานไฟฟ้า                    

        ในการทดลอง นักวิจัยวางส่วนล่างสุดของตัวปลดปล่อยรังสีไว้บนฮีทเตอร์ (ตัวสร้างความร้อนจากไฟฟ้า) ซึ่งแทนแหล่งกำเนิดความร้อน ด้านบนของตัวปลดปล่อยรังสีคือตัวกรองรังสีซึ่งมีแผ่นสารกึ่งตัวนำ InGaAs วางอยู่ด้านบนอีกที โครงสร้างทั้งหมดถูกวางไว้ในโถสุญญากาศเพื่อลดการสูญเสียความร้อนออกสู่อากาศ จากการทดลองนักวิจัยพบว่าอุปกรณ์นี้สามารถผลิตไฟฟ้าด้วยประสิทธิภาพสูงถึง 24.1% ที่อุณหภูมิ 1055 ºC โดยสามารถสร้างพลังงานไฟฟ้าได้ 0.189 W ต่อหนึ่งหน่วยตารางเซนติเมตรของพื้นที่แผ่น InGaAs ประสิทธิภาพจากการทดลองนี้ใกล้เคียงกับประสิทธิภาพที่ทำนายจากทฤษฎี โดยมีความคลาดเคลื่อนเพียง 0.8% นักวิจัยยังพบว่าประสิทธิภาพลดลงเหลือ 12.1% ถ้าใช้ตัวกรองรังสีอย่างเดียวแต่ไม่ใช้ตัวปลดปล่อยรังสี ในทางกลับกัน ถ้าใช้ตัวปลดปล่อยรังสีอย่างเดียวแต่ไม่ใช้ตัวกรองรังสีแล้วประสิทธิภาพจะลดลงเหลือ 15.4% ดังนั้นทั้งตัวปลดปล่อยรังสีและตัวกรองรังสีจึงมีความสำคัญในการทำให้ TPV มีประสิทธิภาพเกิน 20% ถึงแม้ว่าอุปกรณ์นี้จะทำงานในโถสุญญากาศซึ่งมีราคาแพง แต่นักวิจัยเสนอว่า TPV ที่ใช้งานได้จริงในอนาคตอาจจะทำงานภายในโถที่เติมแก๊สเฉื่อยชนิดอื่นๆ เข้าไปซึ่งจะป้องกันการนำความร้อนจากตัวปลดปล่อยรังสีไปยังแผ่น InGaAs ได้ และอนุญาตให้มีเฉพาะการแผ่รังสีระหว่างตัวปลดปล่อยรังสีและแผ่น InGaAs เท่านั้น          
 

เรียบเรียงโดย

ดร. ปิยวัฒน์ ทัพสนิท
อาจารย์คณะวิทยาศาสตร์ พลังงานและสิ่งแวดล้อม มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าพระนครเหนือ (วิทยาเขตระยอง)

• [1] A. P. Raman, M. A. Anoma, L. Zhu, E. Rephaeli, and S. Fan, “Passive radiative cooling below ambient air temperature under direct sunlight,” Nature 515, 540-544 (2014).
• [2] R. Ehrlich and H. A. Geller, Renewable energy, a first course. Boca Raton, FL: CRC Press, 2018.
• [3] D. N. Woolf, E. A. Kadlec, D. Dethke, A. D. Grine, J. J. Nogan, J. G. Cederberg, D. B. Burckel, T. S. Luk, E. A. Shaner, and J. M. Hensley, “High-efficiency thermophotovoltaic energy conversion enabled by a metamaterial selective emitter,” Optica 5, 213-218 (2018).