Research

เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสงและแนวทางการพัฒนาให้เซลล์มีรูปทรงเป็นท่อ


ผศ.ดร.ขวัญจิต วงษ์ชารี​​  
อาจารย์ประจำภาควิชาวิศวกรรมเคมี ​ 
คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีมหานคร  
29 พฤศจิกายน 2558  

       พลังงานแสงอาทิตย์นับเป็นทางเลือกที่มีศักยภาพสูงและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม ในช่วง 20 ปีที่ผ่านมาได้มีการพัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง (Dye-Sensitized Solar Cells, DSSCs) ข้อดีของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดนี้คือมีราคาต่ำกว่าเซลล์พลังงานแสงอาทิตย์แบบเดิมซึ่งเป็นแผ่นซิลิกอน เนื่องจากไม่ต้องใช้ระบบสุญญากาศในการผลิตรวมทั้งสามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพภายใต้ความเข้มแสงต่ำ
       
ส่วนประกอบพื้นฐานของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง เป็นดังแสดงในรูปที่ 1 โดยขั้วแอโนดประกอบด้วยกระจกตัวนำ (Conducting glass) และฟิล์มไททาเนียมไดออกไซด์ (TiO2) ที่เคลือบด้วยสีย้อม ส่วนขั้วแคโทด (Cathode)   เป็นกระจกตัวนำเคลือบด้วยฟิล์มตัวเร่งปฏิกิริยาแพลทินัม (Pt)    การประกอบเซลล์ทำได้โดยการประกบกระจกทั้งสองด้านเข้าด้วยกันแล้วเติมสารละลายอิเล็กโทรไลต์คู่รีดอกซ์ I-/I3- เข้าไประหว่างกระจกทั้งสองด้านแล้วจึงซีลรอบเซลล์ เพื่อป้องกันการสูญเสียสารละลายอิเล็กโทรไลต์

รูปที่ 1 องค์ประกอบพื้นฐานของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง

       ขั้นตอนการทำงานของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง มีดังนี้ [1]
       ขั้นตอนที่ 1 แสงตกกระทบโมเลกุลของสีย้อมไวแสง  ทำให้สีย้อมในสถานะปกติ (S) ได้รับการกระตุ้น (S*)

                            S0 + hν     →     S*                                               

       ขั้นตอนที่ 2 สีย้อมที่ได้รับการกระตุ้นแล้ว (S*) จ่ายอิเล็กตรอนไปยังชั้นแถบตัวนำ (Conduction band) ของไทเทเนียมไดออกไซด์(TiO2)  ทำให้สีย้อมมีประจุเป็นบวก (S+)

                            S*     →     S+ + e- (TiO2)       

       ขั้นตอนที่ 3 อิเล็กตรอนจะเคลื่อนผ่านแถบตัวนำของไทเทเนียมไดออกไซด์ไปที่ขั้วแอโนดและผ่านวงจรไฟฟ้าและทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าขึ้น จากนั้นอิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่เข้าสู่ขั้วแคโทด 
       ขั้นตอนที่ 4 สารอิเล็กโทรไลต์จะรับอิเล็กตรอนที่ผ่านขั้วแคโทด จากนั้นจึงคืนอิเล็กตรอนให้แก่สีย้อมไวแสงที่สูญเสียอิเล็กตรอน (S+) ทำให้โมเลกุลสีย้อมกลับสู่สภาวะปกติ (S) 

                            I3- + 2e-        →       3I-                           
                            2S+ + 3I-      →        2S + I3-               

       แม้ว่าเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสงจะมีข้อดีหลายประการ  แต่ก็มีข้อเสียอยู่บ้างโดยเฉพาะที่เกี่ยวข้องกับสารอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของเหลว คือมีปัญหาการรั่วซึมของอิเล็กโทรไลต์ในบริเวณรอยต่อระหว่างกระจกสองแผ่น ซึ่งทำให้เกิดการเสื่อมสภาพของเซลล์ ซึ่งมีนักวิจัยพยายามแก้ปัญหาโดยการใช้อิเล็กโทรไลต์ในรูปของแข็งหรือเจลแทนชนิดของเหลว  ซึ่งแม้ว่าจะแก้ปัญหาประเด็นการรั่วซึมของอิเล็กโทรไลต์ได้ แต่มีผลทำให้ประสิทธิภาพของเซลล์ลดลงเนื่องจากความสามารถในการส่งผ่านอิเล็กตรอนของอิเล็กโทรไลต์แบบแข็งหรือเจลค่อนข้างต่ำ
       เมื่อเร็วๆนี้มีการพัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสงรูปแบบใหม่โดยปรับเปลี่ยนจากรูปทรงแบบแผ่นให้มีรูปทรงเป็นท่อดังแสดงในรูปที่ 2 แนวคิดดังกล่าวทำให้สามารถลดพื้นที่ในการซีลรอบเซลล์ได้ค่อนข้างมากเนื่องจากมีการซีลเฉพาะบริเวณปลายท่อเมื่อเทียบกับกรณีที่เซลล์แบบแผ่นที่จะต้องซีลรอบแผ่น (รูปที่ 3)  ซึ่งทำให้ลดความเสี่ยงในการรั่วซึมของสารละลายอิเล็กโทรไลต์ได้   นอกจากนี้เซลล์แบบท่อยังมีข้อดีคือสามารถรับแสงได้ดีในทุกทิศทางจึงไม่ต้องมีการหมุนแผงตามมุมตกกระทบของแสงอาทิตย์เหมือนในกรณีที่เป็นแผงแบบแผ่น (รูปที่ 4) และหากเกิดการชำรุดก็สามารถซ่อมบำรุงแบบแยกชิ้นได้  

รูปที่ 2 หน้าตัดของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสงที่มีรูปทรงเป็นท่อ ซึ่งประกอบด้วย (1) ท่อแก้ว (2) ฟิล์มตัวนำ (3) current collector (4) ชั้นพอลิเมอร์ป้องกัน current collector  (5) TiO2 เคลือบด้วยสีย้อม (6) สารละลายอิเล็กโทรไลต์ (7) ฟิล์ม Pt  (8) ฟิล์มตัวนำ (9) แท่งแก้ว [2]


(ก)                                                     (ข)

รูปที่ 3  การเปรียบเทียบลักษณะการซีล (ก) การซีลรอบแผ่นสำหรับเซลล์แบบแผ่น (ข) การซีลเฉพาะบริเวณปลายท่อสำหรับเซลล์แบบท่อ [2]


    (ก)                                                   (ข)

รูปที่ 4  การเปรียบเทียบลักษณะการรับแสง (ก) เซลล์แบบแผ่นมีการหมุนแผงเพื่อรับแสงอาทิตย์   (ข) เซลล์แบบท่อสามารถรับแสงได้สม่ำเสมอโดยไม่ต้องหมุนแผง [2]

เอกสารอ้างอิง
[1] M. R. Narayan, “Review: Dye sensitized solar cells based on natural photosensitizers,” Renew. Sustain. Energy Rev., 16 (2011) 208–215.
[2] Z. Tachan, S. Rühle, and A. Zaban, “Dye-sensitized solar tubes: A new solar cell design for efficient current collection and improved cell sealing,” Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 94 (2010) 317–322.

<< ย้อนกลับ