เซลลแสงอาทตยชนดสยอมไวแสง

นางสาว นรอยน ดาโอะ

รหสนกศกษา

คณะวทยาศาสตร สาขา ฟสกส มหาวทยาลยรามค าแหง

และในปจจบนก าลงเปนทสนใจเปนอยางมากทงในเชงวชาการและในเชงพาณชย เนองจากเซลล

แสงอาทตยชนดนม ประสทธภาพใกลเคยง กบ เซลลแสงอาทตยชนดรอยตอ

ของสารกงตวน าซลคอน แตมกระบวนการผลตทงายกวา ท าใหมตนทนการผลตต ากวา

เพอเปนทางเลอกหนงทจะใชแทนทเซลลแสงอาทตยแบบซลคอนได เนองจากผลตไดงาย

ใชวสดราคาไมแพง และมตนทนต า จงมประโยชนอยางมากในการผลตเซลลแสงอาทตยเชงการคา

คอ เซลลแสงอาทตยสยอมไวแสงใชสยอมไวแสงเปนตวรบพลงงานจากแสงอาทตย

ไปกระตนอเลกตรอนใหกระโดดจากสถานะพน (

ไปยงสถานะกระตน ( จากนนอเลกตรอนจะเคลอนท

ไปยงอนภาคไทเทเนยมไดออกไซด ( 2) ทเคลอบอยบนขวไฟฟาโปรงแสง

ท าใหเกดกระแสไฟฟาเกดขน

แนวความคดนเกดจากการเลยนแบบการสงเคราะหดวยแสงของพชทพชจะใช

คลอโรฟลล ( ท าหนาทเปนตวรบพลงงาน

และเปลยนคารบอนไดออกไซด ( 2) และน า ( 2

ไปเปนน าตาล ( 2 12 6) และออกซเจน

ซงจะมการไหลเวยนของอเลกตรอนในกระบวนการน

และกระบวนการอนทเกยวของดวย

รปท 1 โครงสรางของเซลลแสงอาทตยชนดสยอมไวแสง

เซลลแสงอาทตยชนดสยอมไวแสง มองคประกอบทส าคญ คอ

สยอมไวแสง อนภาคของโลหะออกไซด สารอเลกโตรไลต

หรอ ตวสงผานประจบวก และขวไฟฟาโปรงแสง ตามรป

โดยแตละสวนมหนาทและสมบตทส าคญดงน

1 . สย อมไวแสง เปนสารทยดเกาะอยกบอนภาคระดบนาโนของสารกงตวน าโลหะออกไซด

ดวยพนธะ หรอ = พนธะเดยว หรอ พนธะค

ตวอยางสยอมทใชกนอยาง แพรหลาย

เชน หรอ ในพช

เชน และ เปนตน

สวนประกอบทส าคญเซลล

ซงท าหนาท

ดดกลนแสงหรอรบพลงงานแสงจากดวงอาทตย

และ ท าหนาทสงผานอเลกตรอน หรอ ปลดปลอยอเลกตรอนออกไป

ใหกบอนภาคระดบนาโนของโลหะออกไซด

ดงนนจะตองมสมบตทส าคญ เชน

มสเปกตรมการดดกลนแสงกวางในชวงตาเหนและชวงใกลอนฟาเรด เพอดดกลนแสงอาทตยใหไดมากทสด

มคาสมประสทธการดดกลนแสงสง เพอเพมประสทธภาพ

ในการจบแสงโฟตอนทตกกระทบ มคณสมบตของสภาวะพน

และสภาวะกระตนทเหมาะสม มเสถยรภาพสงในสภาวะถกออกซไดซ

สามารถยดเกาะบนผวอนภาคระดบนาโนของโลหะออกไซดไดด

2. ชนอนภาคของโลหะออกไซด

เปนสารกงตวน าโลหะออกไซด (Metal-Oxide Semiconductor)

ทมชองวางแถบพลงงานสง(Wide Band-Gap) ซงสารกงตวน าทน า

มาศกษากนอยางแพรหลาย คอ และ ท ำหนำท รบและสงผานอเลกตรอน และเปนพนผวส าหรบการยดเกาะ

ของโมเลกลสยอมไวแสง ตองมแถบชองวางพลงงานกวาง

(มากกวา 3 ) มพนทผวมาก เหตผลทนยมใช ไททาเนยมไดออกไซด เปนข วไฟฟาแอโนด

คอโครงสรางวสดนาโนทเตรยมจากอนภาคไททาเนยมไดออกไซด จะมขนาด

เสนผาศนยกลางประมาณ 10-20 นาโนเมตร ความหนาประมาณ 5-20 ไมครอน

และมวลของไททาเนยมไดออกไซดมคาประมาณ 1-4 mg/cm2

และมโครงสราง แบบอะนาเทส ซงจะใหพนทผวมากกวาโครงสราง แบบรไทล

และเปนสารกงตวนาทมรพรน และ พนทผวสงกวาสารกงตวน าชนด

อน มอตราการสงผานอเลกตรอนเรว และอตราการรวมตวของประจชา

( โดยทวไปความตางศกยของเซลล

แสงอาทตยแบบสยอมไวแสงมคาประมาณ 0.5-0.7 ซงจะไมขนกบ

ขนาดของเซลล สาหรบคากระแสไฟฟาของเซลลมคาประมาณ 10-20

ซงคาของกระแสไฟฟาจะขนกบขนาดของพนทและ

ความเขมของแสงทตกกระทบ เปนตน

นยมใช ไทเทเนยมไดออกไซต

3. สารอเลกโตรไลตหรอตวสงผานประจบวก

ท าหนาทในการแลกเปลยนอเลกตรอนทเดนทางมาจากวงจร เปนโลหะภายนอกใหกลบคนส

โมเลกลของสยอม แพลทนม ( ทเคลอบบนกระจก

ดบกออกไซด ทข วแคโทด ท าหนาทเปนตวกระตนและลดศกยไฟฟาท

มากเกนไปในปฏกรยา กบ

→

สำรละลำยรดอกซ อเลกโทรไลต

( ) (redox electrolyte) ท าหนาท ชดเชยอเลกตรอนใหกบโมเลกลสยอมไวแสง จากเคาเตอรอเลกโทรด หรอ รบประจ

บวกจากข วไฟฟาแคโทด โดยอาศยปฏกรยารดอกซ (redox)

สามารถเกด ปฏกรยาออกซเดชนไดงาย และมอายการใชงานยาวนาน

นยมใช

4. ข วไฟฟาโปรงแสง (Transparent Conducive Oxide Glass: TCO Glass)

ประกอบดวย สวน คอ และ

ใช เคลอบบน จากนนตอข วไฟฟาเขากบ

และ สาหรบการน าไฟฟาไปใชงาน

❶ ขวไฟฟาแอดโนด เปนกระจกโปรงใส

ทถกเคลอบดวย Fluorine-doped Tin Oxide (FTO) หรอIndium-doped Tin Oxide (ITO) ประกอบดวยข วไฟฟาแอโนด เปนสวนประกอบไวใหแสงผาน และท าหนาทถายโอนอเลกตรอนไปสวงจรภายนอกเซลล

นยมใช fluoride doped tin oxide (FTO) ❷ ขวไฟฟาแคโทด

ท าหนาทใหอเลกตรอนกลบคนส สารประกอบอเลกโทรไลต ตองน าไฟฟาไดด มพนทผวมาก

และ มคาศกยไฟฟาเกนตว ส าหรบการเกด ปฏกรยารดกชน ของอเลกโตรไลตต า

นยมใช โลหะแพลททนม ตวคะตะลลส หรอ แกรไฟต/คารบอนแบลค

④ มกระแสไฟฟา เกดขน มอเลกตรอน เคลอนทในวงจรภายนอกเซลลแลว

อเลกตอนวงกลบสข วแคโทดและ ⑤ ทข วแคโทดสารอเลกโตรไลตเกดกระบวนการ

รดอกซ โดยใหอเลกตรอน กบ สยอมไวแสงท สญเสยอเลกตรอน ( ) ท าใหโมเลกลสยอมกลบสสถานะพน ( ) ในขณะเดยวกนสารอเลกโตรไลต

จะรบ อเลกตรอน คน จากขวแคโทด โลหะแพลททนม

โดยมปฏกรยำหลกทเกดขนคอ

ปฎกรยำทข วแอโนด

+ hν S* : การดดกลนแสง S* + (ใหโลหะออกไซค) : การสงผานอเลกตรอน

ปฏกรยำทข วแคโทด

+อเลกโตรไลต + อเลกโตรไลต : การสรางใหมของสยอมอเลกโตรไลต

)+ (จากข วแพลททนม) อเลกโตรไลต

ปฏกรยำรวม

(จากข วแพลททนม) + hν ( ใหโลหะออกไซค )

→→

→

→

→

→

หลกกำรท ำงำนของ ดงสมกำร

หลกกำรแปลงพลงงำนของเซลลแสงอำทตยชนดสยอม

กำรดดกลนพลงงำนแสง

เมอโมเลกลของสยอมถกแสงจะดดกลนพลงงานแสงไวเพอใชในการกระตนอเลกตรอน

ในช น

ไปยงช น

อเลกตรอนถกกระตน

อเลกตรอนสถานะกระตน ( ∗ ทอยในโมเลกลของสยอมในช น

ซงมพลงงานสงกวาแถบน าไฟฟาของสารกงตวน า (

จะยายไปอยบนแถบน าไฟฟาของสารกงตวน า เราเรยกข นตอนนวา

∗ →

→ ∗

อเลกตรอนคนสภำพ

อเลกตรอนกลบสโมเลกลของสยอม โดยผานปฏกรยารดอกซ(

ในอเลกโทรไลตและเรยกข นตอนนวา

→ +

→

อเลกตรอนเรมเคลอนท

อเลกตรอนทมาจากช น จะเคลอนทผานสารกงตวน าออกสวงจรภายนอก

ผานทางข ว โฟโตอเลกโทรดเกดการสญเสยพลงงานใหแกวงจรภายนอก หลงจากนน

กลบคนสเซลลผานทาง ข วเคานเตอรอเลกโทรด หรอ ข วไฟฟาแคโทด

(ข วทกระจกน าไฟฟาเคลอบดวย

ฟลมบางออกไซดน าไฟฟาโปรงแสง

(

ฟลมบางออกไซดน าไฟฟาแบบโปรงแสงเปนฟลมบางทน าไปใชกนอยางมากในอปกรณ

เชน

และอนๆ ซงฟลมชนดน

เปนฟลมทมสมบตทางไฟฟาและสมบตทางแสงทดควบคกนโดยฟลมตองมสมบตน าไฟฟาได

ดและแสงสามารถทะลผานไดปรมาณมาก ดงนนในการเลอกสารตงตนเพอน ามาเตรยมฟลม

ตองพจารณาสมบตท ง 2 ขอนเปนส าคญ และโดยทวไปสารทจะน ามาใชควรจะเปนสารทมแถบ

ชองวางพลงงานสง แตมสภาพตานทานต าและแสงทะลผานด ซงฟลมบางทนยมใชกนไดแก

ฟลมบางของทนออกไซด ( ฟลมบางของอนเดยมออกไซด ( ฟลมบาง

อนเดยมทนออกไซด ( ฟลมบางของแคดเมยมสแตนเนส (

ฟลมบางซงกออกไซด ( เปนตน

ซงสารเหลานสามารถปรบปรงสมบตทางไฟฟาและสมบตทางแสงไดดวยการเตมสารผสม

ตวรบแสง (

สยอมเปนสวนประกอบทส าคญทสดของเซลลแสงอาทตยชนดสยอมไวแสง

เนองจากสยอม มหนาทเปนแหลงก าเนดอเลกตรอนส าหรบเซลลแสงอาทตย

ชนดน ซงเมอสยอมไวแสงไดรบพลงงานแสงอาทตย

โมเลกลของสยอมไวแสงทอยในช น จะถกกระตนใหไปอย

ทช น หลงจากนนอเลกตรอนทถกกระตนในช น

จะถกสงผานเขาไปในช นแถบน าไฟฟาของสารกงตวน าโลหะออกไซด

ดงนนในการเลอกสยอมไวแสง จงจ าเปนตองเลอกสยอมทเหมาะสม

กบสารกงตวน าทใช ซงสยอมไวแสงตองมระดบพลงงาน

สงกวาระดบแถบน าไฟฟาของสารกงตวน า

: ขอด และ ขอเสย ของเซลลแสงอำทตย ชนดซลกอน

ขอด ขอเสย

• ซลกอนเปนธาตทพบเจอมากทสดเปนอนดบสองทเปลอกโลก

• ขนตอนการผลตไดรบการพฒนาอยางด

• มตลาดซลกอนขนาดใหญ

• ใหประสทธภาพสงทสด

• ตองใชชนครสตลทหนา • เปราะ แตกงาย

• ใชซบสเตรททเฉพาะเจาะจงและจ ากด

• ผลกเดยวซลกอนมราคาแพง

• บางขนตอนการผลตกอใหเกดมลภาวะ

: ขอดและขอเสยของเซลลแสงอำทตยชนดสยอมไวแสง

ขอด ขอเสย

• ราคาถก เนองจากไมมข นตอนทตองใชพลงงานสงและสญญากาศ

เหมอนแบบซลกอน

• สามารถใชกบซบสเตรททยดหยนได นอกเหนอจากแกว

• สามารถถกออกแบบใหมรปรางทางสถาปตยกรรมเหมาะกบใช

ตกแตงอาคารบานเรอนได

• มความคงทนแมวาอยภายใตแสงทนานกวา 10,000 ชวโมง(ภายใตสภาวะหนงๆ)

• เนองจากประสทธภาพทต ากวา จงท าให ยงไมสามารถเปนคแขงทางการคา

กบเซลลประเภทซลกอนได

• เสอมสภาพได ทอณหภมสง

• ขนาดของการผลตยงอยในระดบเลก

: ตนทนกำรผลตของเซลลแสงอำทตยชนดซลกอน

SX: single crystal MC: multicrystal line

: ตนทนกำรผลตของเซลลแสงอำทตยชนดสยอมไวแสง

: ประสทธภำพของเซลลแสงอำทตยชนดตำงๆ

แนวทางการพฒนาเซลลแสงอาทตยชนดสยอมไวแสงใหมประสทธภาพรวมสงขน

อาจสรปได 3 แนวทางดงน

❶ พฒนาโมเลกลสยอมไวแสง ทมความสามารถในการดดกลนแสงตลอดชวงความยาว

คลนแสงตาเหนจนถงชวงใกลอนฟราเรด (near IR)

❷ พฒนาระบบอเลกโทรไลตทมประสทธภาพสง

เพอเพมคาแรงดนไฟฟาวงจรเปด ใหมคาใกลเคยงกบคาทางทฤษฎ

❸ พฒนาโครงสรางอนภาคนาโนของสารกงตวน าโลหะออกไซด เพอใหมระยะทางการแพร

ของอเลกตรอนเพมขน สามารถท าไดโดยเปลยนลกษณะรปรางของโลหะออกไซดทใชจากท

เปนอนภาคนาโน (nanoparticle) ใหอยในรปของลวดนาโน (nanowire)

① การพฒนาสยอมไวแสง

และใกลอนฟราเรด เพอเพมจ านวนอเลกตรอนในสภาวะเราใหมากทสด

ข) เพมความสามารถในการยดเกาะของสยอมไวแสงกบพนผวของอนภาคระดบนาโนของโลหะออกไซด เพอเพมปรมาณสยอมไวแสงใหเกาะอยกบอนภาคระดบนาโนของโลหะออกไซด

ไดในปรมาณทมากทสด

ค) เพมประสทธภาพในการถายเทอเลกตรอนระหวางสยอมไวแสงกบอนภาคระดบนาโน

ของโลหะออกไซด เพอไมใหมการสญเสยอเลกตรอนระหวางการถายเทอเลกตรอน

② การพฒนาระบบอเลกโตรไลต

ระบบอเลกโตรไลต เปนสวนส าคญทตองไดรบการพฒนาเชนกน

เพอใหเซลลแสงอาทตยชนดสยอมไวแสงใหประสทธภาพสงส าหรบผลตในเชงการคา

ในระยะเรมแรกระบบอเลกโตรไลต เปนระบบทเตรยมไดงาย ไมยงยาก

คอ อเลกโตรไลตของเหลวมสวนประกอบของคปฏกรยารดอกซ

ของ ไอโอไดด/ไตรไอโอไดด ( )

ก) การหาสยอมไวแสงชนดใหมทมความสามารถในการดดกลนแสงในชวงกวางต งแตชวงแสงตาเหน

จำกทกลำวมำขำงตน ระบบอเลกโตรไลตยงคงตองไดรบกำรพฒนำตอไป

อยำงตอเนอง เพอเพ มประสทธภำพรวมของเซลลแสงอำทตยสยอมไวแสงใหสงขน

แตมขอเสยคอ

③ การพฒนาอนภาคนาโนของสารกงตวน าโลหะออกไซด

ในกำรเตรยมเสนลวดนำโนแบบออกไซด

(

(1-

โดยในป ค.ศ. 2005 และคณะ (

พบวำ เซลลแสงอำทตยชนดสยอมไวแสง ทใชสยอมไวแสง

ดดซบบนลวดนาโนซงคออกไซด มประสทธภาพรวมใกลเคยง

กบเซลลแสงอาทตยสยอมไวแสงทใชอนภาคนาโนไทเทเนยมไดออกไซด

ทงนเนองจากลวดนาโนชวยใหสงผานอเลกตรอนไปยงขวไฟฟาไดมากขน

และลวดนาโนมพนทผวสง และมการสรางเซลลแสงอาทตยชนดสยอมไวแสง

ทใชสยอมไวแสง ดดซบบนลวดนาโนซงคออกไซด

พบวามแรงดนไฟฟาวงจรเปด 0 7 0.8

กระแสไฟฟาลดวงจร 3 และมประสทธภาพรวม1.1%

ลวดนาโนซงคออกไซดไดรบความสนใจศกษา เนองจากซงคออกไซด

มคาพลงงานแถบชองวางใกลเคยงกบไทเทเนยมไดออกไซด และมกระบวน

เตรยมใหอยในรปของลวดนาโนงายกวา

บทสรป

จากความตองการพลงงานทดแทนในอนาคตอนใกล สงผลใหเซลล

แสงอาทตยชนดสยอมไวแสงไดรบการพฒนาและศกษาวจยมาอยางตอเนอง

เพอใหมขดความสามารถสงในระดบทจะผลตในระดบอตสาหกรรม

และทดแทนเซลลแสงอาทตยทใชอยในปจจบนได

โดยจะตองพฒนาในท งสามสวน คอ ตวโมเลกลสยอมไวแสง ระบบอเลกโตรไลต

และอนภาคนาโนของสารกงตวน าโลหะออกไซดใหมประสทธภาพสง

โดยเฉพาะตองมการคนควาวจยและสงเคราะหสยอมประเภทใหมททนทานทอณหภมสง

ศกษาหาสารอเลกโตรไลทชนดใหมทชวยเพมประสทธภาพในการน าไฟฟาและไมกด

กรอนพนผวของซบสเตรท และการพฒนาระบบการประกบเซลล

เพอยดอายการใชงานของเซลลเปนตน อนจะสงผลโดยรวมใหประสทธภาพรวม

ของ เซลลแสงอาทตยชนดสยอมไวแสง สงเกนกวา

อยางไรกด อปกรณชนสวนระดบนาโนก าลงไดรบการศกษาเชงลกเพมขน เชน

การผลตเซลลแสงอาทตยชนดสยอมไวแสง (

อนเปนผลมาจากความตองการนวตกรรมใหมในภาคการผลตและอตสาหกรรม

สามารถผลต เซลลแสงอาทตยแบบสยอมไวแสง

ทมประสทธภาพสงสด ในระดบหองปฏบตการ ไดประมาณ 11%

โดยใชสยอมไวแสงทเปน สารประกอบเชงซอน ชนดรทเนยมไบไพไรดน

( ) ขณะทความคมคาในการผลตเซลลแสงอาทตย

แบบสยอมไวแสงในเชงพาณชย จะอยท 15% แตในปจจบนกมการผลต

เซลลแสงอาทตยแบบสยอมไวแสง เพอใชงานหลายดาน เชน

ใชเปนอปกรณชารจแบตเตอรรในโทรศพทมอถอ( ), ใชเปนแผงโซลารเซลล ตดตงบนหลงคาบาน ( ), ใชเปนวสดตกแตงภายใน( ) และ ใชเปนวสดรวมกนของผนงอาคาร และ แผงผลตไฟฟา( ) ดงรป

กำรประยกตใชงำนของเซลลแสงอำทตยสยอมไวแสง

รศ ธรพนธ มวงไทย เซลลแสงอาทตยชนดสยอมไวแสง วารสารวจย มร

[2] พรกตต คมสน. (2550). เซลลแสงอาทตยกบสยอมไวแสงจากพชในประเทศไทย.วารสารวจย มข.35(4): 205-214

[3] วนช พรมอารกษ และคณะ.(2550). เซลลแสงอาทตยชนดสยอมไวแสง.วารสารวชาการ ม.อบ.9(2): 14-31

สรพงษ ภวสปรย การประยกตใชทอนาโนไททาเนยมในการพฒนาเซลลพลงงานแสงอาทตยชนดสยอมไวแสง

มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลธญบร เวบไซต

สยอมไวแสง

สมคร พมานแพง เซลลแสงอาทยชนดสยอมไวแสงทใชพอลเอนลนเปนขวเคาทเตอร ว วทย มข

เวบไซต

และ

คณะ.(255

21

เวบไซต

กมลพรรณ ชมพล หลกการวดและวเคราะหประสทธภาพของเซลลแสงอาทตยชนดสยอมไวแสงดวยวธการทางแสง

วารสารมาตรวทยา กรกฎาคม สงหาคม

เวบไซต

สถาบนพฒนาเทคโนโลยพลงงานแสงอาทตย ( ส านกงานพฒนา

วทยาศาสตรและเทคโนโลยแหงชาต (สวทช.)

ส านกงานนโยบายและแผนพลงงาน กระทรวงพลงงาน

เวบไซต

เชอเพลงซากดกด าบรรพ‎

สภาวด เกยรตเสว เซลลแสงอาทตยแบบสยอมไวแสง”,ศนยพลงงานทางเลอก

คณะวทยาศาสตร มหาวทยาลยมหดล

รศ.ดร. จตพร วฒกนกกาญจน การพฒนาสารอเลกโทรไลตสาหรบเซลลแสงอาทตยและแบตเตอรยคใหม”,

ศนยความเปนเลศ นาโนเทค-มหาวทยาลยเทคโนโลยพระจอมเกลาธนบร ดานวสดนาโนไฮบรดสาหรบพลงงานทางเลอก

คณะพลงงานสงแวดลอมและวสด มหาวทยาลยเทคโนโลยพระจอมเกลาธนบร

ชาน โพธพทกษ เซลลแสงอาทตยแบบสยอมไวแสง”,คณะวทยาศาสตรและเทคโนโลย ,มหาวทยาลยราชภฏสวนดสต