ทีมวิจัยจากเกาหลีใต้พัฒนาอุปกรณ์เซลล์แสงอาทิตย์อินทรีย์ สร้างสถิติใหม่ในการผลิตไฮโดรเจนสีเขียว

นักวิทยาศาสตร์ค้นพบวิธีการผลิตไฮโดรเจนสีเขียวที่สะอาด โดยใช้เพียงแสงอาทิตย์และน้ำ ทีมงานจากเกาหลีใต้ได้พัฒนาอุปกรณ์ที่ขับเคลื่อนด้วยพลังงานแสงอาทิตย์ ซึ่งสามารถแยกโมเลกุลน้ำได้อย่างอิสระ เทคโนโลยีนี้สร้างสถิติใหม่ในด้านประสิทธิภาพของอุปกรณ์การแยกน้ำอินทรีย์ โดยไม่ต้องใช้แหล่งพลังงานภายนอก การผลิตไฮโดรเจนแบบดั้งเดิมนั้นพึ่งพาก๊าซธรรมชาติ ซึ่งกระบวนการนี้จะปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ดังนั้น อุปกรณ์ที่ขับเคลื่อนด้วยพลังงานแสงอาทิตย์จึงเสนอทางเลือกที่ไม่มีการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์อย่างแท้จริง อย่างไรก็ตาม อุปกรณ์ประเภทนี้ยังคงเผชิญกับความท้าทายในการผลิตแรงดันไฟฟ้าที่เพียงพอด้วยตนเอง และต้องการการสนับสนุนจากพลังงานภายนอก

“การแยกน้ำด้วยไฟฟ้าจากแสง (PEC) ให้เส้นทางตรงในการผลิตไฮโดรเจนจากแสงอาทิตย์ แต่แสงอาทิตย์ที่ใช้เซมิคอนดักเตอร์อินทรีย์ยังคงถูกจำกัดด้วยแรงดันไฟฟ้าที่ไม่เพียงพอและความไม่เสถียรของพื้นผิว” นักวิจัยกล่าวในงานวิจัย

การแก้ไขปัญหาของแสงอาทิตย์ที่ใช้เซมิคอนดักเตอร์

ปัจจุบัน ทีมวิจัยที่ตั้งอยู่ที่สถาบันวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติอุลซาน (UNIST) กำลังพยายามแก้ไขปัญหานี้ นักวิจัยได้ออกแบบอุปกรณ์แบบต่อเนื่อง โดยซ้อนชั้นการดูดซับแสงสองชั้นเข้าด้วยกัน ในการทดสอบในห้องปฏิบัติการ แบตเตอรี่ขนาดเล็กนี้มีประสิทธิภาพการแปลงพลังงานแสงเป็นไฮโดรเจนที่ 7.9% ซึ่งเป็นข้อมูลที่สูงที่สุดที่บันทึกได้สำหรับเซมิคอนดักเตอร์อินทรีย์ที่ไม่ได้ใช้แรงดันไฟฟ้าภายนอก การแยกน้ำต้องการแรงดันไฟฟ้าขั้นต่ำที่ 1.23 โวลต์ วัสดุอินทรีย์ชั้นเดียวไม่สามารถรักษาเป้าหมายนี้ได้อย่างเสถียร ในอดีต การซ้อนชั้นเพื่อเพิ่มแรงดันไฟฟ้าได้ทำให้เกิดการเสื่อมสภาพอย่างรวดเร็ว

วัสดุที่ใช้เชื่อมต่อมาตรฐาน PEDOT:PSS มีความเป็นกรดสูง และมีแนวโน้มที่จะได้รับผลกระทบจากน้ำ ซึ่งหมายความว่ามันจะเสื่อมสภาพอย่างรวดเร็วในส่วนประกอบที่อยู่ใกล้เคียง

วัสดุใหม่เพิ่มประสิทธิภาพของอุปกรณ์

ทีมงาน UNIST ได้ใช้ชั้นผสมใหม่เพื่อแทนที่การเชื่อมต่อที่กัดกร่อนนี้ พวกเขาได้รวมออกไซด์โมลิบดีนัมเข้ากับโมเลกุลอินทรีย์ที่เรียกว่า 2PACz ออกไซด์โมลิบดีนัมไม่เป็นกรดและไม่ดูดซับน้ำง่าย ๆ พร้อมทั้งสร้างชั้นป้องกันเพื่อป้องกันการรั่วไหลของตัวทำละลายในระหว่างกระบวนการเคลือบ ในขณะเดียวกัน โมเลกุล 2PACz สามารถทำให้ข้อบกพร่องในระดับจุลภาคเรียบขึ้น ช่วยให้ประจุไฟฟ้าไหลได้อย่างอิสระ “แสงอาทิตย์ที่ใช้เซมิคอนดักเตอร์ในรูปแบบต่อเนื่องนี้ในสภาวะที่ไม่มีแรงดันไฟฟ้าภายนอก ได้แสดงให้เห็นถึงแรงดันเริ่มต้นที่ 1.67 V vs. RHE และประสิทธิภาพการแปลงพลังงานแสงเป็นไฮโดรเจน (STH) ที่ 7.9% ซึ่งตามที่เราทราบ นี่คือข้อมูลที่สูงที่สุดที่บันทึกได้สำหรับเซมิคอนดักเตอร์อินทรีย์ในสภาวะที่ไม่มีแรงดันไฟฟ้าภายนอก” นักวิจัยเสริม

ศักยภาพในการพาณิชย์และการลดต้นทุน

หลังจากการทำงานต่อเนื่องเป็นเวลา 10 ชั่วโมง อุปกรณ์นี้ยังคงรักษากระแสไฟฟ้าแสงเริ่มต้นไว้ได้ถึง 86% ขณะที่ประสิทธิภาพของการออกแบบแบบดั้งเดิมลดลงเหลือ 36% เทคโนโลยีนี้ได้ก้าวข้ามขั้นตอนในห้องปฏิบัติการไปแล้ว นักวิจัยได้ประกอบโมดูลกลางแจ้งที่มีพื้นที่ถึง 320 ตารางเซนติเมตร ซึ่งสามารถผลิตไฮโดรเจนได้สำเร็จในแสงแดดธรรมชาติ เพื่อให้ลดต้นทุน วิศวกรได้ลดการใช้โลหะมีค่าอย่างมาก ปริมาณแพลตตินัมบนอิเล็กโทรดไฮโดรเจนถูกลดลงเหลือเพียง 0.1% ขณะที่อิเล็กโทรดอีกด้านหนึ่งใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีต้นทุนต่ำซึ่งประกอบด้วยนิกเกิล-เหล็ก-โคบอลต์ เนื่องจากทั้งสองด้านทำงานในอ่างเคมีเดียวกัน การตั้งค่าดังกล่าวจึงหลีกเลี่ยงการใช้เยื่อแยกไอออนที่มีราคาแพงได้อย่างสมบูรณ์

แบบจำลองทางเศรษฐกิจแสดงให้เห็นว่า หากอุปกรณ์นี้สามารถบรรลุประสิทธิภาพสูงสุดที่ทฤษฎีกำหนดไว้ที่ 16% ต้นทุนการผลิตไฮโดรเจนอาจลดลงเหลือเพียง 4.26 ดอลลาร์สหรัฐฯ (ประมาณ 33 ดอลลาร์ฮ่องกง) ในขณะเดียวกัน นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีนันยางในสิงคโปร์กำลังผลักดันการผลิตเชื้อเพลิงจากแสงอาทิตย์ไปในทิศทางใหม่ที่น่าสนใจ อุปกรณ์ที่ได้รับแรงบันดาลใจจากใบไม้ของพวกเขาใช้แสงอาทิตย์ในการสกัดไฮโดรเจนจากน้ำทะเลโดยตรง ในขณะเดียวกันก็ทำให้สารเคมีอุตสาหกรรมที่เป็นพิษอย่างไฮดราซีนเป็นกลาง การค้นพบทั้งสองนี้แสดงให้เห็นว่าเทคโนโลยีทางเคมีที่ขับเคลื่อนด้วยแสงกำลังพัฒนาอย่างรวดเร็วจากแนวคิดที่เปราะบางไปสู่เครื่องมืออุตสาหกรรมที่ใช้งานได้จริง

ความก้าวหน้าและอนาคตของอุปกรณ์เซลล์แสงอาทิตย์อินทรีย์

ผลการวิจัยของทีมงานเกาหลีใต้แสดงให้เห็นว่า อุปกรณ์เซลล์แสงอาทิตย์ที่ใช้เซมิคอนดักเตอร์อินทรีย์มีความก้าวหน้าอย่างมีนัยสำคัญในการผลิตไฮโดรเจน ซึ่งไม่เพียงแต่แก้ไขปัญหาสิ่งแวดล้อมในกระบวนการผลิตไฮโดรเจนแบบดั้งเดิม แต่ยังแสดงให้เห็นถึงศักยภาพของวัสดุใหม่ในการเพิ่มประสิทธิภาพของอุปกรณ์ เมื่อเทคโนโลยีพัฒนาไปเรื่อย ๆ นวัตกรรมเหล่านี้อาจช่วยลดต้นทุนการผลิตไฮโดรเจน และส่งเสริมการใช้พลังงานหมุนเวียนอย่างแพร่หลาย ซึ่งมีความสำคัญต่อการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างพลังงานในอนาคต