Source: Jinsong Huang (Craig Chandler/University Communications)

Non-Stick Pans ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ได้อย่างไร?

Non-Stick เป็นพลาสติกพิเศษประเภทหนึ่ง ที่รู้จักกันในชื่อ PTFE ซึ่งเป็นสสารที่ช่วยในเรื่องของความลื่น ส่วนใหญ่นิยมใช้และเป็นที่รู้จักในการนำสาร Non-Stick มาเคลือบผิวภาชนะเช่น กระทะเพื่อไม่ให้อาหารติดภาชนะ เสื้อกันฝนก็มีลักษณะเช่นเดียวกัน

นอกจากนี้วิศวกรจาก University of Nebraska-Lincoln ประเทศสหรัฐอมริกา ได้ทำการวิจัยและพบว่าสารเคลือบผิว Non-Stick ยังช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของเซลล์แสงอาทิตย์ โดยนักวิจัยได้พัฒนาจากเซลล์แสงอาทิตย์ที่มีสารอินทรีย์เป็นส่วนประกอบหลัก (Organic solar cell) พื้นผิวพลาสติกแบบ “non-wetting” ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการแปลงแสงอาทิตย์ให้เป็นกระแสไฟฟ้าถึง 1.5 เท่า โดยนักวิจัยได้ใช้เทคนิคที่พัฒนามาจากเซลล์แสงอาทิตย์ ชนิดผลึกโพลีซิลิกอนหรือ ผลึกผสม ราคาไม่แพง ผลิตได้เร็วขึ้นและง่ายกว่าการผลิตที่ทำจากแผงชนิดผลึกเดี่ยว เซลล์แบบคริสตัลมีการใช้แบบแพร่หลายบางส่วนเป็นเพราะมีลักษณะที่ไม่ต่างกันมาก โดยยังคงคุณสมบัติและประสิทธิภาพการใช้งานใกล้เคียงกับแบบผลึกเดี่ยว อุปสรรคระหว่างประสิทธิภาพของเกรน (grain) คืออาณาเขตของผลึกแต่ละระนาบและการรวมตัวกันของแสงอาทิตย์ที่ตกกระทบเซลล์แสงอาทิตย์ จะเกิดการสร้างพาหะนำไฟฟ้าประจุลบและบวกขึ้น ได้แก่ อิเล็กตรอน (Electrons) และ โฮล (holes) โครงสร้างรอยต่อพี-เอ็น (p-n) จะทำหน้าที่สร้างสนามไฟฟ้าภายในเซลล์ เพื่อแยกพาหะนำไฟฟ้าชนิดอิเล็กตรอนไปที่ขั้วลบ และพาหะนำไฟฟ้าชนิดโฮลไปที่ขั้วบวก ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าแบบกระแสตรงที่ขั้วไฟฟ้าทั้งสอง เมื่อต่อให้ครบวงจรไฟฟ้าจะเกิดกระแสไฟฟ้าไหลขึ้น

Jinsong Huang และ ทีมนักวิจัยได้พยายามที่จะลดปัญหานี้จึงได้ทำการเพิ่มขนาดของเกรน (grain size) โดยขนาดของเกรนโดยทั่วไปจะถูกจำกัดโดยความหนาของเซลล์แสงอาทิตย์ พวกเขาค้นพบว่าพื้นผิวพลาสติกแบบ “non-wetting” สามารถสร้างให้มีขนาดใหญ่มากถึงแปดเท่าของความหนาของเซลล์เดิม พื้นผิวพลาสติกแบบ Non-wetting ทำให้เกิดการดูดซับและการกระจายติดต่อกันทำให้เกิดการเร่งและกระตุ้นเส้นแบ่งเขตแดนของเกรนแต่ละเกรน ซึ่งเรียกว่า Grain Boundary ทำให้เกรนมีขนาดใหญ่เมื่ออยู่ภายใต้ความร้อน ถ้าเกรนมีขนาดใหญ่กว่าความหนาของเซลล์แสงอาทิตย์ โฟตอน (Photon) จากแสงอาทิตย์จะสามารถเดินทางผ่านรอยต่อพี-เอ็น ออกสู่วงจรภายนอกของเซลล์แสงอาทิตย์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ เพราะฉะนั้นจึงพบว่าประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์จะเพิ่มขึ้นเมื่อเกรนมีขนาดใหญ่ขึ้น

Jinsong Huang และ Susan J. Rosowski รองศาสตราจารย์จากวิศวกรรมเครื่องกลและวัสดุ พบความแตกต่างคือ เกรนที่มีขนาดเล็กสองเกรนเมื่อนำมารวมกันจะได้เกรนที่มีขนาดใหญ่ สิ่งที่เกิดคือการเคลื่อนที่จากตรงกลางของเกรนทั้งสองต่อท้ายกันต่อหนึ่งหรืออื่นๆ เป็นวิธีการเคลื่อนตัวที่ง่ายและเร็วและสามารถผสมผสานและพัฒนาได้ พื้นผิวพลาสติกแบบ Non-wetting ยังมีคุณสมบัติที่ทำให้ผิวหน้าลื่น ฝุ่นและน้ำไม่เกาะพื้นผิวช่วยให้ใช้งานได้ดีขึ้น ไม่ซึมทั้งน้ำมันและของเหลวและยังช่วยทำความสะอาดตนเอง ของแผงเซลล์พลังงานแสงอาทิตย์ได้อีกด้วย

ข้อจำกัดของคุณสมบัติของความลื่นนี้ยังมีการเกิดอนุภาคที่รู้จักกันคือนิวเคลียส เมื่ออุณหภูมิลดลงถึงจุดแข็งตัว ก็จะเกิดนิวเครียสซึ่งเป็นของแข็งและเกิดการเปลี่ยนรูปของผลึกขึ้น ในขณะเดียวกันพลังงานก็ถูกปล่อยออกมาในรูปความร้อนของการรวมตัว (heat of fusion) เพื่อสร้างขอบเขตที่แน่นอนของนิวเครียส และหลังจากนั้นการ under cooling จะเกิดขึ้นตามเสมอเพื่อทำให้นิวเครียสสมดุลย์ การปล่อยความร้อนออกมานั้นทำ ให้อุณหภูมิสูงขึ้นกว่าจุดแข็งตัวทำให้นิวเครียสบางตัวกลับละลายกลายเป็นของเหลวอีกครั้ง ในการเกิดนิวเครียสของของแข็งต้องการพลังงานเพิ่มเพื่อทำให้เกิดลักษณะผิวระหว่างของแข็งกับของเหลวนั้น ๆ ทำให้เกรนมีการเติบโตขนาดใหญ่ขึ้นและมีขอบเขตที่น้อยลง

การใช้พื้นผิว Non-wetting เป็นการผลิตที่อาจนำไปสู่การปรับปรุงในด้านเทคโนโลยีอื่นๆ ที่มีการรายงานผลการศึกษาอาจจะเป็นในรูปแบบของทรานซิสเตอร์ที่เร็วขึ้นและมีความไวตรวจจับแสงมากขึ้น เมื่อกล่าวถึงคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ ผลึกและเกรนขนาดใหญ่เป็นวิธีการที่ง่ายต่อการใช้งานและยังมีศักยภาพมาก

Bibliography

Scott Schrage--University of Nebraska-Lincoln News Office. (July 23, 2015). How Non-Stick Pans Can Improve Solar Cells. Retrieved from http://www.labmanager.com/: http://www.labmanager.com/news/2015/07/how-non-stick-pans-can-improve-solar-cells?fw1pk=2#.VcRWgPntlHz

Non-Stick Pans ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ได้อย่างไร?