นักวิจัยจาก มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ (University of Cambridge) ได้ค้นพบวัสดุอินทรีย์ชนิดพิเศษที่สามารถเปลี่ยนแสงให้กลายเป็นพลังงานไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพสูง ซึ่งอาจนำไปสู่การสร้างเซลล์แสงอาทิตย์แบบใหม่ที่ เล็กลง ราคาถูกลง และมีประสิทธิภาพสูงขึ้น เหมาะกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แห่งอนาคตที่ต้องการพลังงานแบบพอเพียงในตัวเอง
งานวิจัยนี้ตีพิมพ์ในวารสาร Nature Materials และเป็นความร่วมมือระหว่างทีมฟิสิกส์ของ ศาสตราจารย์ Sir Richard Friend กับทีมเคมีของ ศาสตราจารย์ Hugo Bronstein โดยพวกเขาได้ศึกษาโมเลกุลอินทรีย์ที่ชื่อว่า P3TTM ซึ่งเป็นสารกึ่งตัวนำ (organic semiconductor) ที่มีคุณสมบัติพิเศษแตกต่างจากวัสดุอินทรีย์ทั่วไป
กลไกใหม่ที่เคยคิดว่าเป็นไปไม่ได้ในวัสดุอินทรีย์
โดยปกติแล้ว วัสดุอินทรีย์ไม่สามารถผลิตไฟฟ้าได้ดีเท่าวัสดุอนินทรีย์ เช่น ซิลิคอน เพราะอิเล็กตรอนภายในโมเลกุลมักจะจับคู่กัน ไม่เกิดการเคลื่อนที่อย่างอิสระ แต่ในกรณีของ P3TTM ทีมวิจัยพบว่าเมื่อโมเลกุลเหล่านี้จัดเรียงตัวแน่น ๆ จะเกิดปฏิสัมพันธ์ระหว่าง “อิเล็กตรอนไม่จับคู่” ที่อยู่ใกล้กัน ทำให้เกิดการจัดเรียงแบบ “สลับขั้วขึ้น-ลง”
เมื่อโมเลกุลดูดซับแสง อิเล็กตรอนตัวหนึ่งจะกระโดดไปยังโมเลกุลข้างเคียง ก่อให้เกิดประจุบวกและประจุลบซึ่งสามารถนำออกมาใช้เป็นกระแสไฟฟ้าได้โดยตรง
“ในระบบของเรา เมื่อโมเลกุลจัดเรียงตัวกันแน่น การปฏิสัมพันธ์ระหว่างอิเล็กตรอนที่ไม่จับคู่จะทำให้พวกมันจัดเรียงแบบสลับขั้วขึ้นลง… และเมื่อดูดซับแสง อิเล็กตรอนจะกระโดดไปยังเพื่อนบ้าน ทำให้เกิดประจุบวกและลบที่สามารถสกัดออกมาเป็นกระแสไฟได้”
— Biwen Li, นักวิจัยหลักจาก Cavendish Laboratory, มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์
ประสิทธิภาพสูงระดับเกือบ 100% ในการเก็บประจุ
สิ่งที่น่าทึ่งคือ วัสดุชนิดนี้สามารถแสดงค่าการเปลี่ยนแสงเป็นประจุ (quantum yield) ได้สูงถึง 40% ในการทดสอบบางรูปแบบ และเมื่อทดสอบในเซลล์แสงอาทิตย์แบบฟิล์มเดี่ยวที่สร้างจากวัสดุ P3TTM เพียงชนิดเดียว ทีมวิจัยพบว่า ประสิทธิภาพการเก็บประจุ (charge collection efficiency) สูงเกือบ 100% ซึ่งถือว่าใกล้เคียงกับค่าที่สมบูรณ์แบบที่สุดเท่าที่เคยมีการรายงานในวงการวัสดุอินทรีย์
อย่างไรก็ตาม ทีมวิจัยยังไม่ได้เปิดเผยค่าประสิทธิภาพโดยรวมของการแปลงพลังงานแสงเป็นไฟฟ้า (power conversion efficiency) ซึ่งจะเป็นตัวชี้วัดสำคัญของการใช้งานในเชิงพาณิชย์ในอนาคต
จุดเปลี่ยนสำคัญของวงการเซลล์แสงอาทิตย์ (Solar Cell)
โดยทั่วไป เซลล์แสงอาทิตย์ต้องใช้วัสดุสองชนิดร่วมกัน ได้แก่ “ตัวให้” (donor) และ “ตัวรับอิเล็กตรอน” (acceptor) เพื่อให้เกิดการแยกประจุ แต่การต้องมีสองวัสดุทำให้โครงสร้างซับซ้อน และเกิดการสูญเสียพลังงานบางส่วนในการแลกเปลี่ยนระหว่างชั้นวัสดุ
แต่การค้นพบครั้งนี้ชี้ให้เห็นว่า อาจไม่จำเป็นต้องใช้สองวัสดุอีกต่อไป เพราะ P3TTM เพียงชนิดเดียวก็สามารถผลิตและส่งต่ออิเล็กตรอนได้เอง ซึ่งอาจทำให้การผลิตเซลล์แสงอาทิตย์ในอนาคต ง่ายขึ้น ราคาถูกลง และยืดหยุ่นมากขึ้น เช่น สามารถทำเป็นฟิล์มบางติดบนวัสดุต่าง ๆ เช่น กระจก ผนัง หรือแม้แต่เสื้อผ้าอัจฉริยะได้
อนาคตของพลังงานสะอาดและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์
หากเทคโนโลยีนี้สามารถพัฒนาได้จนถึงขั้นเชิงพาณิชย์ เราอาจได้เห็น อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ชาร์จตัวเองได้ เช่น สมาร์ตวอชท์ เซนเซอร์ หรือแม้แต่โทรศัพท์มือถือที่มีฟิล์มรับแสงในตัวโดยไม่ต้องพึ่งแบตเตอรี่ใหญ่เหมือนในปัจจุบัน
แม้จะยังอยู่ในขั้นต้นของการวิจัย แต่การค้นพบครั้งนี้ถือเป็นก้าวใหญ่ของวงการพลังงานสะอาด และเป็นอีกหนึ่งตัวอย่างที่สะท้อนให้เห็นว่าพลังงานจาก “วัสดุอินทรีย์” อาจเป็นคำตอบของโลกยุคใหม่ที่ต้องการความยั่งยืนมากขึ้น
สรุป:
การค้นพบ P3TTM ของทีมมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์อาจเป็นจุดเปลี่ยนครั้งสำคัญของเทคโนโลยี solar cell ในอนาคต เพราะมันพิสูจน์ให้เห็นว่า วัสดุอินทรีย์ก็สามารถทำหน้าที่ผลิตไฟฟ้าได้อย่างเต็มประสิทธิภาพ ไม่แพ้วัสดุอนินทรีย์ และเปิดประตูสู่การพัฒนาอุปกรณ์พลังงานสะอาดที่เล็กกว่า เบากว่า และอัจฉริยะกว่าเดิมในอนาคตอันใกล้
ที่มา: notebookcheck
