นักวิจัยจากสถาบันวิทยาศาสตร์แห่งประเทศจีนได้ใช้สารอนุภาคนาโนสีน้ำเงินปรัสเซียนเพื่อทำให้ฟิล์มเพอร์รอฟสไกต์มีความเสถียร ส่งผลให้ได้ประสิทธิภาพของเซลล์สูงถึง 26.9 เปอร์เซ็นต์ และได้รับการรับรองประสิทธิภาพที่ 22.9 เปอร์เซ็นต์บนโมดูลย่อยขนาด 756 ตารางเซนติเมตร
ทีมวิจัยจากสถาบันวิทยาศาสตร์แห่งประเทศจีนได้พัฒนาประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอร์รอฟสไกต์ให้สูงถึง 26.9 เปอร์เซ็นต์ โดยการเติมอนุภาคนาโนสีน้ำเงินปรัสเซียนลงในฟิล์มที่ดูดซับแสง นักวิจัยได้ตีพิมพ์ผลการวิจัยในวารสาร Scienceเมื่อวันที่ 24 กันยายน และการทดสอบอิสระได้ยืนยันประสิทธิภาพของเซลล์ดังกล่าวที่ 26.2 เปอร์เซ็นต์
ในขณะเดียวกัน โมดูลย่อยขนาดใหญ่กว่ามากกลับได้รับการรับรองที่ 22.9 เปอร์เซ็นต์ ผลลัพธ์นี้มีความสำคัญต่ออุตสาหกรรมมากกว่า
สีน้ำเงินปรัสเซียเป็นสารประกอบที่มีเหล็กเป็นองค์ประกอบหลัก ซึ่งดูดซับแสงที่มองเห็นได้ดีมาก นักวิทยาศาสตร์เคยทดลองใช้สารนี้ในการดูดซับแสงในเซลล์แสงอาทิตย์แบบย้อมสีมาก่อนแล้ว แต่ได้ผลลัพธ์ที่จำกัด ในครั้งนี้ ทีมวิจัยได้ใช้สารนี้เพื่อแก้ไขปัญหาความไม่เสถียรซึ่งเป็นอุปสรรคสำคัญต่อสารประกอบเพอร์รอฟสไกต์มาอย่างยาวนาน
นาโนอนุภาคทำงานอย่างไร
งานวิจัยนี้มุ่งเน้นไปที่ฟอร์มามิดิเนียมตะกั่วไอโอไดด์ ซึ่งเป็นวัสดุเพอร์รอฟสไกต์ที่ได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวาง ฟิล์มของวัสดุนี้มีแนวโน้มที่จะเกิดข้อบกพร่อง และไอออนจะเคลื่อนที่ผ่านข้อบกพร่องเหล่านั้นภายใต้สนามไฟฟ้า ปัญหาทั้งสองนี้ทำให้ประสิทธิภาพลดลงและทำให้อายุการใช้งานของอุปกรณ์สั้นลง
ในระหว่างการสร้างฟิล์ม อนุภาคนาโนทำหน้าที่เป็นแม่แบบ ทำให้ผลึกเติบโตได้สม่ำเสมอยิ่งขึ้น นอกจากนี้ยังส่งเสริมเฟสอัลฟา ซึ่งเป็นโครงสร้างผลึกที่ดูดซับแสงและสร้างกระแสไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ ยิ่งไปกว่านั้น ยังช่วยเปลี่ยนข้อบกพร่องของตะกั่วโลหะและไอโอดีนที่เป็นกลางให้กลับไปเป็นรูปแบบไอออนิกอีกด้วย
โครงสร้างที่แข็งแกร่งของพวกมันยังดักจับไอออนที่เคลื่อนที่ได้ โดยเฉพาะซีเซียม ส่งผลให้พลังงานที่ไอออนต้องการในการเคลื่อนที่เพิ่มขึ้นจาก 0.89 เป็น 1.25 อิเล็กตรอนโวลต์ ทำให้การเคลื่อนที่ของไอออนยากขึ้น และช่วยปกป้องฟิล์มจากการเสียหายจากไฟฟ้า ความร้อน และแสง
“ความก้าวหน้าหลักของการศึกษาของเราคือการใช้โครงสร้างสีน้ำเงินปรัสเซียที่เข้ากันได้ทางโครงสร้าง” ชอง หลิว ผู้เขียนหลักของการศึกษากล่าว หลิวกล่าวว่าโครงสร้างดังกล่าว “ยังคงใช้งานได้ทั้งในระหว่างการสร้างฟิล์มและการทำงานของอุปกรณ์”
ความก้าวหน้าในการออกแบบเซลล์ทั้งสองแบบ
ทีมวิจัยได้ทดสอบวิธีการนี้ในแบตเตอรี่แบบธรรมดาและแบบกลับหัว แบตเตอรี่แบบธรรมดามีประสิทธิภาพดีขึ้นจาก 24.2 เป็น 26.1 เปอร์เซ็นต์ ส่วนแบตเตอรี่แบบกลับหัวมีประสิทธิภาพดีขึ้นจาก 26.0 เป็น 26.9 เปอร์เซ็นต์
ผลลัพธ์ที่ดีขึ้นยังคงมีอยู่ในอุปกรณ์ขนาดใหญ่เช่นกัน โมดูลขนาดเล็กแบบดั้งเดิมที่มีขนาด 6 ซม. x 6 ซม. มีประสิทธิภาพสูงถึง 23.4 เปอร์เซ็นต์ เทียบกับ 20.1 เปอร์เซ็นต์สำหรับอุปกรณ์อ้างอิงที่ไม่ได้ผ่านการปรับปรุง โมดูลย่อยแบบกลับด้านขนาด 30 ซม. x 30 ซม. ซึ่งมีพื้นที่รับแสง 756 ตารางเซนติเมตร มีประสิทธิภาพคงที่อยู่ที่ 22.8 เปอร์เซ็นต์
ขนาดเป็นสิ่งสำคัญในที่นี้ โดยปกติแล้วผลการทดสอบสารเพอร์รอฟสไกต์มักได้มาจากเซลล์ขนาดเล็กในห้องปฏิบัติการ และประสิทธิภาพมักลดลงเมื่ออุปกรณ์มีขนาดใหญ่ขึ้น ดังนั้นผลลัพธ์ที่ได้รับการรับรองจากโมดูลย่อยจึงมีน้ำหนักมากกว่าสำหรับผู้ผลิต เพราะแสดงให้เห็นว่าประสิทธิภาพที่ดีนั้นยังคงอยู่แม้ว่าฟิล์มจะครอบคลุมพื้นที่ขนาดใหญ่กว่ามากก็ตาม
เสถียรภาพภายใต้ความร้อนและความชื้น
ความทนทานยังคงเป็นอุปสรรคสำคัญสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอร์รอฟสไกต์ ทีมวิจัยได้ทำการทดสอบภายใต้สภาวะความร้อนชื้นที่อุณหภูมิ 85 องศาเซลเซียส และความชื้นสัมพัทธ์ 85 เปอร์เซ็นต์ หลังจากใช้งานไป 2,500 ชั่วโมง มินิโมดูลแบบดั้งเดิมยังคงรักษาประสิทธิภาพได้มากกว่า 90 เปอร์เซ็นต์ของประสิทธิภาพเริ่มต้น และยังคงรักษาประสิทธิภาพได้มากกว่า 80 เปอร์เซ็นต์หลังจากใช้งานต่อเนื่อง 2,200 ชั่วโมงที่อุณหภูมิ 65 องศาเซลเซียส
การทดสอบการเร่งอายุการใช้งานของโมดูลย่อยแบบกลับด้านคาดการณ์ว่าค่า T80 จะมีอายุการใช้งานประมาณเจ็ดปีที่อุณหภูมิ 35°C ภายใต้แสงคงที่ T80 คือระยะเวลาที่อุปกรณ์สูญเสียประสิทธิภาพเริ่มต้นไปหนึ่งในห้า อย่างไรก็ตาม นักวิจัยระบุว่าตัวเลขนี้ได้มาจากการคาดการณ์จากการทดสอบแบบเร่งอายุการใช้งานเท่านั้น พวกเขายังไม่ได้แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพในการใช้งานระยะยาว
ในการทดสอบกลางแจ้ง โมดูลย่อยที่ผ่านการปรับปรุงแล้วทำงานต่อเนื่องเป็นเวลาห้าเดือนในเมืองจูไห่ ประเทศจีน ตลอดช่วงเวลานั้น ไม่พบว่าประสิทธิภาพลดลงอย่างเห็นได้ชัดเมื่อเทียบกับอุปกรณ์อ้างอิงซิลิคอนเชิงพาณิชย์
ก้าวสู่การสร้างโมดูลเชิงพาณิชย์
สารเพอร์รอฟสไกต์อยู่ในกลุ่มวัสดุโซลาร์เซลล์รุ่นใหม่ที่กำลังอยู่ระหว่างการพัฒนา เช่นหน้าต่างโซลาร์เซลล์แบบโปร่งแสงที่เปิดตัวที่ UCL อย่างไรก็ตาม เพื่อให้สามารถแข่งขันในเชิงพาณิชย์ได้ เซลล์แสงอาทิตย์เพอร์รอฟสไกต์ต้องมีอายุการใช้งานยาวนานหลายสิบปี อายุการใช้งานเจ็ดปีที่คาดการณ์ไว้ที่อุณหภูมิ 35°C นั้นยังน้อยเกินไป
ถึงกระนั้น งานวิจัยนี้ก็ก้าวหน้าไปในสองด้านพร้อมกัน คือ ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพและชะลอการเสื่อมสภาพที่เป็นอุปสรรคต่อแผงโซลาร์เซลล์เพอร์รอฟสไกต์เชิงพาณิชย์ นอกจากนี้ ทีมวิจัยยังมองว่าผลลัพธ์นี้เป็นหลักฐานสนับสนุนวัสดุประเภทอื่นๆ ที่มีศักยภาพมากขึ้นด้วย
“ผลการวิจัยของเราเน้นย้ำถึงศักยภาพของวัสดุโครงสร้างแบบเปิดในการปรับปรุงประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ ช่วยให้สามารถผลิตได้ในปริมาณมาก และเพิ่มความน่าเชื่อถือในระยะยาวของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอร์รอฟสไกต์” หลิวกล่าว
