นักวิจัยเสนอวิธีใหม่ลดการสูญเสียพลังงานของเซลล์แสงอาทิตย์ เพิ่มประสิทธิภาพใกล้ 43%

นักวิจัยที่สถาบันวิทยาศาสตร์โฟตอนิกส์ (ICFO) ในบาร์เซโลน่า ได้สาธิตการทดลองวิธีการหนึ่งผ่านการควบคุมทิศทางการปล่อยแสงของเซลล์แสงอาทิตย์ เพื่อลดการสูญเสียพลังงาน ซึ่งมีศักยภาพที่จะเพิ่มความสามารถในการผลิตไฟฟ้าของเซลล์ วิธีนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Energy & Environmental Science อาจเปิดเส้นทางสู่การเกินขีดจำกัดประสิทธิภาพทฤษฎีแบบดั้งเดิมของเซลล์แสงอาทิตย์แบบ single-junction การวิจัยนี้มุ่งเน้นกลไกการสูญเสียที่เรียกว่า Boltzmann loss ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อวัสดุที่ดูดซับแสงได้ ยังสามารถปล่อยแสงได้เช่นกัน

ทำไมทิศทางการปล่อยแสงจึงสำคัญมาก? เซลล์แสงอาทิตย์รับแสงแดดจากทิศทางที่ค่อนข้างแคบ เพราะดวงอาทิตย์ในท้องฟ้ามีขนาดเพียงเล็กน้อย หมายความว่าแสงแดดที่เข้าไปในเซลล์แสงอาทิตย์สามารถไปถึงได้เฉพาะในช่วงมุมแคบๆ เท่านั้น อย่างไรก็ตาม โฟตอนที่เกิดขึ้นภายในเซลล์แสงอาทิตย์มักจะสามารถปล่อยแสงออกไปในช่วงทิศทางที่กว้างขึ้น ตามที่นักวิจัย ICFO กล่าว ความไม่ตรงกันระหว่างมุมเข้าแคบกับมุมปล่อยกว้างนี้ ลดกำลังที่มีประโยชน์ที่สามารถดึงออกมาจากอุปกรณ์ได้

ความจำเป็นในการควบคุมทิศทางการปล่อยแสง

นักวิจัยหวังที่จะลดการสูญเสียดังกล่าวโดยทำให้เซลล์แสงอาทิตย์มีความเลือกสรรมากขึ้นในทิศทางการปล่อยแสง ทีมงานนำโดยศาสตราจารย์ Jordi Martorell จาก ICFO และ UPC ประกอบด้วย Dr. Francisco Bernal Texca, Chiara Cortese, Dr. Mariia Kramarenko และ Dr. Quan Liu พวกเขาใช้เซลล์แสงอาทิตย์อินทรีย์แบบ inverted ที่ทำจากสารผสม PM6:Y6 และเปลี่ยนมันให้กลายเป็น optical cavity

โครงสร้างนี้ยับยั้งการปล่อยโฟตอนในมุมใหญ่ ทำให้มุมปล่อยแสงของเซลล์เล็กลงอย่างมีประสิทธิภาพ

นักวิจัยใช้แอนโอดเงิน (silver-based front electrode) และโครงสร้างแบบชั้นๆ พร้อมกับวางอิเล็กโทรดเงินอีกตัวหนึ่งที่ด้านหลังเซลล์ เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ดังกล่าว แอนโอดโลหะให้ความสะท้อนสูงในช่วงมุมการปล่อยแสงที่กว้าง ร่วมกับคาธโอดด้านหลังและชั้นรอบข้าง ทำให้เกิด optical cavity ตัวนี้ทำหน้าที่สองอย่างพร้อมกัน: ยับยั้งการปล่อยแสงในมุมใหญ่ พร้อมทั้งอนุญาตให้แสงแดดจากแหล่งกำเนิดเข้าไปได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้การกระจายมุมของแสงที่ปล่อยออกมา ใกล้เคียงกับการกระจายมุมของแสงแดดที่เข้าไปมากขึ้น

ท้าทายขีดจำกัดประสิทธิภาพแบบดั้งเดิม

นักวิจัยระบุว่าวิธีนี้ไม่ต้องการกระบวนการผลิตที่ซับซ้อนกว่ากลยุทธ์อื่นๆ มากนัก ที่สำรวจเพื่อผลักดันประสิทธิภาพโฟลโตวอลติกให้เกินขีดจำกัดแบบดั้งเดิม การวิจัยนี้มุ่งเป้าที่ขีดจำกัด Shockley–Queisser ที่มีชื่อเสียง ซึ่งเป็นแบบจำลองที่อธิบายขีดจำกัดบนของประสิทธิภาพทฤษฎีของเซลล์แสงอาทิตย์แบบ single-junction ภายใต้สมมติฐานของแบบจำลอง ICFO กำหนดขีดจำกัดนี้ไว้ที่ 33.16% นักวิจัยกล่าวว่า หากมุมปล่อยแสงสามารถย่อเล็กลงได้พอที่จะตรงกับมุมดูดซับแสงแดดได้ดีขึ้น สามารถทำให้ได้ประสิทธิภาพใกล้ 43% ทางทฤษฎี

สิ่งนี้ไม่ได้หมายความว่านักวิจัยผลิตเซลล์แสงอาทิตย์ประสิทธิภาพ 43% ออกมาแล้ว การวิจัยนี้แสดงให้เห็นกลยุทธ์ทางแสง學ในการลดกลไกการสูญเสียที่เกี่ยวข้องในอุปกรณ์โฟลโตวอลติกอินทรีย์ "งานวิจัยของเราในด้านการแปลงพลังงานแสงอาทิตย์เป็นความก้าวหน้าสำคัญ เนื่องจากมันเปิดเส้นทางที่ยังไม่เคยถูกสำรวจเลย เพื่อเกินขีดจำกัด Shockley–Queisser" ผู้เขียนหลัก Dr. Francisco Bernal Texca กล่าว

นักวิจัยยังเน้นว่าหลักการนี้ไม่ได้จำกัดอยู่กับเทคโนโลยีโฟลโตวอลติกอินทรีย์เพียงอย่างเดียว แม้การทดลองจะใช้เซลล์แสงอาทิตย์อินทรีย์ แต่ Martorell กล่าวว่แนวคิดนี้ในหลักการสามารถประยุกต์ใช้กับเทคโนโลยีโฟลโตวอลติกที่แตกต่างกันได้ หากวิธีนี้สามารถนำไปสู่อุปกรณ์ปฏิบัติที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น การควบคุมทิศทางการปล่อยโฟตอนอาจกลายเป็นเครื่องมืออีกอย่างหนึ่งในการดึงไฟฟ้ามากขึ้นจากปริมาณแสงแดดเดียวกัน ตามนักวิจัย ประสิทธิภาพโฟลโตวอลติกที่สูงขึ้นยังสามารถลดพื้นที่ที่ดินและวัสดุที่จำเป็นสำหรับการผลิตไฟฟ้าแสงอาทิตย์ในปริมาณที่กำหนด พร้อมทั้งลดต้นทุนต่อวัตต์

ผลกระทบที่เป็นไปได้ของวิธีใหม่ต่อเทคโนโลยีแสงอาทิตย์

วิธีใหม่ที่การวิจัยนี้เสนอ มุ่งแก้ปัญหาการสูญเสียพลังงานของเซลล์แสงอาทิตย์ ผ่านการปรับทิศทางการปล่อยแสงเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ แสดงศักยภาพในการเกินทฤษฎีแบบดั้งเดิม ขีดจำกัด Shockley–Queisser มาเป็นความท้าทายของเทคโนโลยีโฟลโตวอลติกมานาน การก้าวหน้านี้อาจให้แนวคิดใหม่สำหรับการออกแบบเซลล์แสงอาทิตย์ในอนาคต ประสิทธิภาพโฟลโตวอลติกที่สูงขึ้น ไม่เพียงแต่เพิ่มปริมาณพลังงานที่ผลิตได้ แต่อาจลดที่ดินและวัสดุที่ต้องการ ลดต้นทุน ซึ่งมีความสำคัญอย่างมากต่อการส่งเสริมพลังงานหมุนเวียน