นักวิจัย MIT พัฒนาโซลาร์เซลล์ที่สามารถแปลงพลังงานจากแสงอาทิตย์ให้เป็นพลังงานไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น มากกว่าค่าขอบเขตทางทฤษฎีที่ตั้งไว้ว่าจะไม่สามารถแปลงพลังงานได้เกิน 33.7% โดยทีเด็ดสำคัญที่ทำให้โซลาร์เซลล์แบบใหม่ทำงานได้ดีเหนือกว่าทฤษฎีที่เคยมีมา คือการพัฒนาชิ้นส่วนที่ดูดซับพลังงานทุกรูปแบบของแสงอาทิตย์เอาไว้แล้วปล่อยแสงออกมาให้เหมาะกับโซลาร์เซลล์มากที่สุด

การดึงเอาพลังงานความร้อนที่ปกติถูกปล่อยทิ้งสูญเสียไปเปล่ามาเปลี่ยนให้เป็นพลังงานไฟฟ้าได้นั้น ทีมวิจัยใช้ชิ้นส่วนพิเศษที่มีองค์ประกอบหลักเป็นหลอดคาร์บอนที่จัดเรียงอนุภาคในระดับนาโน ตัวชิ้นส่วนพิเศษนี้มีความสามารถในการดูดกลืนพลังงานจากแสงอาทิตย์ทุกความถี่ที่ตกกระทบตัวเองมาเปลี่ยนเป็นแสงสีส้มอันเป็นแสงที่มีคลื่นความถี่เหมาะสมต่อการทำงานของโซลาร์เซลล์ และฉายแสงสีส้มนั้นตกกระทบโซลาร์เซลล์อีกต่อหนึ่ง ทำให้ท้ายที่สุดได้พลังงานไฟฟ้าเพิ่มจากความร้อนดังที่ว่า

จากนี้ไปเป็นการลงลึกในรายละเอียดทางเทคนิคยิ่งขึ้น

เริ่มจากเรื่องขอบเขตทางทฤษฎีที่ถูกกล่าวถึง ขอบเขตนี้ถูกเรียกว่า Shockley-Queisser Limit ซึ่งโซลาร์เซลล์แบบทั่วไปจะมีประสิทธิภาพในการเปลี่ยนพลังงานไม่เกินกว่าค่าขอบเขตนี้ โดยตัวเลขของ Shockley-Queisser Limit นั้นแปรผันตามค่า band gap (ซึ่งค่า band gap นี้ยังใช้บอกความสามารถในการดูดซับแสงของวัสดุที่ดูดซับแสงในคลื่นความถี่ต่างๆ ได้ไม่เท่ากันด้วย) ค่าประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานสูงสุดเท่าที่จะเป็นไปได้ตามขอบเขต Shockley-Queisser Limit นั้นอยู่ที่ราว 33.7% เท่านั้น หรือแปลรวบรัดให้เข้าใจง่ายก็คือ ตามทฤษฎีแล้วโซลาร์เซลล์ทั่วไปจะไม่มีทางแปลงพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพดีเกิน 33.7% นั่นเอง (วัสดุที่นิยมนำมาทำโซลาร์เซลล์อย่างซิลิกอนเองมีค่า bad gap เท่ากับ 1.1 สามารถแปลงพลังงานด้วยประสิทธิภาพสูงสุดราว 33.5% ตามกราฟของ Shockley-Queisser Limit)

ด้วยข้อจำกัดทางทฤษฎีดังที่กล่าวมา นักวิจัยและนักวิทยาศาสตร์ก็ได้คิดค้นเทคนิคการปรับปรุงประยุกต์ใช้โซลาร์เซลล์ให้สามารถแปลงพลังงานได้ดียิ่งขึ้น เทคนิคหนึ่งที่ใช้กันอย่างแพร่หลายก็คือการทำโซลาร์เซลล์ (ซึ่งส่วนใหญ่ทำจากซิลิกอน) แบบหลายแผ่นซ้อนกัน แผ่นโซลาร์เซลล์แต่ละชั้นจะดูดซับพลังงานแสงอาทิตย์แล้วเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้า (เฉพาะในแต่ละเซลล์เองทำงานได้มีประสิทธิภาพไม่เกินไปกว่าขอบเขต Shockley-Queisser Limit) ซึ่งภาพรวมก็ถือว่ามีประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานที่ดีขึ้น

แต่ยังมีอีกแนวทางหนึ่งที่ทำได้ดียิ่งกว่าและเป็นแนวทางที่ทีมวิจัยของ MIT เลือกใช้ ก็คือการเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์ให้เป็นพลังงานความร้อนเสียก่อน แล้วค่อยหาทางทำให้เป็นพลังงานไฟฟ้า พวกเขาพัฒนาชิ้นส่วนพิเศษที่เรียกว่า STPV (solar thermophotovoltaic) ซึ่งเมื่อนำไปประกอบใช้งานร่วมกับแผ่นโซลาร์เซลล์ธรรมดาก็สามารถเพิ่มประสิทธิภาพในการทำงานได้มาก จากการคำนวณของทีมวิจัยนั้น การใช้ STPV อาจทำให้ชุดอุปกรณ์โซลาร์เซลล์ทำงานได้ดีมีประสิทธิภาพเกิน 80% ซึ่งมากกว่า 2 เท่าของ Shockley-Queisser Limit ด้วย

ตัว STPV นั้นเป็น ประกอบไปด้วยผลึก nanophotonic crystal ซึ่งเป็นผลึกที่เมื่อมันได้รับความร้อน จะสามารถเปล่งแสงที่มีความถี่ของคลื่นตามที่กำหนดได้ ทีมวิจัยใช้ผลึกนี้ใส่เข้าในโครงสร้างหลอดคาร์บอนที่มีการจัดเรียงในแนวตั้ง (หากเปรียบเทียบให้เห็นภาพ ก็เหมือนกับการเอาหลอดทดลองจำนวนมากมามัดรวมกันเป็นแผงแล้วเติมผลึกลงไปในหลอดทดลองเหล่านั้น เพียงแต่งานนี้หลอดทดลองที่ว่ามีขนาดเล็กจิ๋วระดับนาโนเมตร และสร้างขึ้นจากคาร์บอน) จากนั้นนำไปประกบติดกับแผงโซลาร์เซลล์ที่ทำมาจากซิลิกอน ตัว STPV นี้จะทำงานที่อุณหภูมิราว 1,000 องศาเซลเซียส

หลอดคาร์บอนระดับนาโนของ STPV นั้นสามารถดูดซับพลังงานจากแสงอาทิตย์ได้ตลอดทุกย่านความถี่ตั้งแต่แสงสีแดงถึงม่วง หลังจากดูดซับคลื่นแสงเหล่านั้นแล้วมันจะปล่อยความร้อนให้แก่ผลึก nanophotonic crystal ที่อยู่ในตัวมัน เมื่อผลึก nanophotonic crystal ได้รับความร้อนก็จะเปล่งแสงที่มีความถี่จำเพาะที่โซลาร์เซลล์จะสามารถรับเอาไปเปลี่ยนรูปพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพที่สุด

ในการทดสอบเพื่อให้ STPV ทำงานได้ซึ่งมีเงื่อนไขเรื่องอุณหภูมิระดับ 1,000 องศา ทีมวิจัยได้สร้างชุดรวมแสงจนทำให้ความเข้มของพลังงานแสงเพิ่มเป็น 750 เท่า สามารถทำอุณหภูมิของ STPV ขึ้นไปได้ที่ 962 องศาเซลเซียส

งานวิจัย STPV ของ MIT นั้นมีการทดลองวิจัยกันมานานต่อเนื่องนานหลายปี แต่ปีนี้เป็นครั้งแรกที่ทีมวิจัยสามารถทำการทดลองได้ตัวเลขประสิทธิภาพการเปลี่ยนพลังงานของโซลาร์เซลล์ได้ดีกว่า Shockley-Queisser Limit จริงตามที่คำนวณ

ข้อดีของ STPV ที่ไม่เพียงเพิ่มพลังงานไฟฟ้าที่ได้จากพลังงานแสงตกกระทบโซลาร์เซลล์ขนาดเท่าเดิมแล้ว ยังมีข้อดีในแง่ที่ช่วยลดความร้อนที่จะแผ่ออกสู่อุปกรณ์ข้างเคียง (เพราะความร้อนจากแสงอาทิตย์จะกลายเป็นส่วนหนึ่งที่ STPV นำไปใช้เพื่อเปล่งแสงให้โซลาร์เซลล์ได้หมด) นอกจากนี้การที่ STPV ดูดซับเอาคลื่นแสงทุกสีในทุกความถี่มาเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อนก็ถือเป็นการเพิ่มทางเลือกในการบริหารพลังงานด้วย เพราะพลังงานความร้อนจากกระบวนการทำงานที่ว่านี้สามารถจัดเก็บได้ง่ายกว่าการจัดเก็บพลังงานแสง

ผลลัพธ์เชิงรูปธรรมของงานวิจัยนี้อาจจะดูแล้วยังห่างไกลจากการนำมาใช้ในชีวิตประจำวันของเรา แต่สำหรับงานวิจัยเฉพาะทางหรืองานประดิษฐ์เพื่อการใช้งานกรณีพิเศษ เช่น การใช้แผงโซลาร์เซลล์สำหรับยานสำรวจในอวกาศ ถือว่าได้รับประโยชน์จากเทคโนโลยีนี้เป็นอย่างมาก

ที่มา - MIT News: 1, 2