แผงโซลาร์เซลล์หรือที่รู้จักในชื่อ photovoltaics อาศัยอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์หรือเซลล์แสงอาทิตย์ในการแปลงพลังงานจากดวงอาทิตย์เป็นไฟฟ้า
ในการผลิตกระแสไฟฟ้า เซลล์แสงอาทิตย์จำเป็นต้องมีสนามไฟฟ้าเพื่อแยกประจุบวกออกจากประจุลบ เพื่อให้ได้ข้อมูลนี้ ผู้ผลิตมักจะเติมโซลาร์เซลล์ด้วยสารเคมีเพื่อให้ชั้นหนึ่งของอุปกรณ์มีประจุบวกและอีกชั้นหนึ่งมีประจุลบ การออกแบบหลายชั้นนี้ช่วยให้มั่นใจได้ว่าอิเล็กตรอนจะไหลจากด้านลบของอุปกรณ์ไปยังด้านบวก ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญในความเสถียรและประสิทธิภาพของอุปกรณ์ แต่การเติมสารเคมีและการสังเคราะห์เป็นชั้นยังเพิ่มขั้นตอนการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์ที่มีค่าใช้จ่ายสูงอีกด้วย
ตอนนี้ ทีมวิจัยที่นำโดยนักวิทยาศาสตร์จากห้องทดลองแห่งชาติ Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) ของ DOE โดยความร่วมมือกับ UC Berkeley ได้แสดงให้เห็นถึงวิธีแก้ปัญหาเฉพาะตัวที่เสนอวิธีการที่ง่ายกว่าในการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์: วัสดุพลังงานแสงอาทิตย์แบบผลึกที่มีไฟฟ้าในตัว field – คุณสมบัติที่เปิดใช้งานโดยสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์เรียกว่า “ferroelectricity” เนื้อหานี้ได้รับการรายงานเมื่อต้นปี นี้ในวารสาร Science Advances
วัสดุเฟอร์โรอิเล็กทริกชนิดใหม่ ซึ่งปลูกในห้องปฏิบัติการจากซีเซียม เจอร์เมเนียม ไตรโบรไมด์ (CsGeBr 3 หรือ CGB) เปิดประตูสู่แนวทางที่ง่ายกว่าในการผลิตอุปกรณ์โซลาร์เซลล์ คริสตัล CGB มีโพลาไรซ์โดยเนื้อแท้ ซึ่งแตกต่างจากวัสดุสุริยะทั่วไป โดยที่คริสตัลด้านหนึ่งสร้างประจุบวก และอีกด้านหนึ่งสร้างประจุลบ โดยไม่จำเป็นต้องใช้สารเติมแต่ง
นอกเหนือจากการเป็นเฟอร์โรอิเล็กทริกแล้ว CGB ยังเป็น “เฮไลด์เพอรอฟสไกต์” ที่ปราศจากสารตะกั่วซึ่งเป็นวัสดุพลังงานแสงอาทิตย์ชนิดใหม่ที่มีนักวิจัยทึ่งในเรื่องความสามารถในการจ่ายและความสะดวกในการสังเคราะห์เมื่อเทียบกับซิลิกอน แต่สารเฮไลด์เพอรอฟสกีต์ที่มีประสิทธิภาพดีที่สุดจำนวนมากมีธาตุตะกั่วอยู่ตามธรรมชาติ ตามที่นักวิจัยคนอื่น ๆสารตะกั่วที่เหลืออยู่จากการผลิตและการกำจัดวัสดุแสงอาทิตย์ของ perovskite อาจปนเปื้อนสิ่งแวดล้อมและนำเสนอความกังวลด้านสาธารณสุข ด้วยเหตุผลเหล่านี้ นักวิจัยจึงได้แสวงหาสูตรเฮไลด์เพอรอฟสไกต์แบบใหม่ที่หลีกเลี่ยงสารตะกั่วโดยไม่กระทบต่อประสิทธิภาพ
“ถ้าคุณสามารถจินตนาการถึงวัสดุสุริยะไร้สารตะกั่วที่ไม่เพียงแต่เก็บพลังงานจากดวงอาทิตย์เท่านั้น แต่ยังได้รับโบนัสเพิ่มเติมจากการมีสนามไฟฟ้าที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ ความเป็นไปได้ในอุตสาหกรรมพลังงานแสงอาทิตย์และอิเล็กทรอนิกส์นั้นค่อนข้างน่าตื่นเต้น” กล่าว ผู้ร่วมวิจัยอาวุโส Peidong Yang ผู้เชี่ยวชาญด้านวัสดุนาโนชั้นนำที่รู้จักกันในงานบุกเบิกของเขาในสายนาโนเซมิคอนดักเตอร์แบบหนึ่งมิติสำหรับเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์แบบใหม่และการสังเคราะห์ด้วยแสงประดิษฐ์ เขาเป็นนักวิทยาศาสตร์อาวุโสของคณะในแผนก Materials Sciences ของ Berkeley Lab และเป็นศาสตราจารย์ด้านเคมีและวัสดุศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์ที่ UC Berkeley
CGB ยังสามารถพัฒนาอุปกรณ์สวิตชิ่ง เซ็นเซอร์ และอุปกรณ์หน่วยความจำที่เสถียรเป็นพิเศษซึ่งตอบสนองต่อแสงได้ ผู้เขียนอาวุโสร่วม Ramamoorthy Ramesh ผู้ดำรงตำแหน่งนักวิทยาศาสตร์อาวุโสในแผนก Materials Sciences ของ Berkeley Lab และศาสตราจารย์ด้านวัสดุศาสตร์กล่าว และวิศวกรรมที่ UC Berkeley ในขณะที่ทำการศึกษา และปัจจุบันดำรงตำแหน่งรองประธานฝ่ายวิจัยที่ Rice University
โดยทั่วไปแล้วฟิล์มแสงอาทิตย์ของ Perovskite จะทำโดยใช้วิธีการเคลือบสารละลายที่มีต้นทุนต่ำ เช่น การเคลือบแบบหมุนหรือการพิมพ์แบบอิงค์เจ็ต และแตกต่างจากซิลิกอนซึ่งต้องใช้อุณหภูมิในการประมวลผลประมาณ 2,732 องศาฟาเรนไฮต์เพื่อผลิตเป็นอุปกรณ์พลังงานแสงอาทิตย์ Perovskites นั้นถูกแปรรูปอย่างง่ายดายจากสารละลายที่อุณหภูมิห้องไปจนถึงประมาณ 300 องศาฟาเรนไฮต์ และสำหรับผู้ผลิต อุณหภูมิในการประมวลผลที่ต่ำกว่าเหล่านี้จะช่วยลดต้นทุนด้านพลังงานได้อย่างมาก
แต่ถึงแม้จะมีศักยภาพที่เพิ่มขึ้นในภาคพลังงานแสงอาทิตย์ แต่วัสดุแสงอาทิตย์ของ perovskite จะไม่พร้อมสำหรับตลาดจนกว่านักวิจัยจะเอาชนะความท้าทายอันยาวนานในการสังเคราะห์ผลิตภัณฑ์และความเสถียรและความยั่งยืนของวัสดุ
ตรึง perovskite เฟอร์โรอิเล็กทริกที่สมบูรณ์แบบ
Perovskites ตกผลึกจากสามองค์ประกอบที่แตกต่างกัน และผลึก perovskite แต่ละอันถูกกำหนดโดยสูตรทางเคมีABX 3
วัสดุพลังงานแสงอาทิตย์ของ Perovskite ส่วนใหญ่ไม่ใช่เฟอร์โรอิเล็กทริกเนื่องจากโครงสร้างอะตอมของผลึกมีความสมมาตรเหมือนเกล็ดหิมะ ในช่วงสองสามทศวรรษที่ผ่านมา นักวิจัยด้านพลังงานหมุนเวียนเช่น Ramesh และ Yang ได้ออกตามหา perovskites ที่แปลกใหม่ซึ่งมีศักยภาพของ ferroelectric โดยเฉพาะ perovskites ที่ไม่สมมาตร
ไม่กี่ปีที่ผ่านมา Ye Zhang ผู้เขียนคนแรกซึ่งเป็นนักวิจัยนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาของ UC Berkeley ในห้องทดลองของ Yang ในขณะนั้น สงสัยว่าเธอจะสร้าง perovskite เฟอร์โรอิเล็กทริกไร้สารตะกั่วได้อย่างไร เธอตั้งทฤษฎีว่าการวางอะตอมเจอร์เมเนียมไว้ตรงกลางของ perovskite จะบิดเบือนความเป็นผลึกของมันเพียงพอที่จะทำให้เกิดเฟอร์โรอิเล็กทริก ยิ่งไปกว่านั้น perovskite ที่มีเจอร์เมเนียมจะปลอดสารตะกั่ว (ตอนนี้ Zhang เป็นนักวิจัยหลังปริญญาเอกที่ Northwestern University)
แม้ว่าจางจะเน้นเรื่องเจอร์เมเนียม แต่ก็ยังมีความไม่แน่นอนอยู่ ท้ายที่สุด การสร้างสูตรเพอร์รอฟสไกต์เฟอร์โรอิเล็กทริกไร้สารตะกั่วที่ดีที่สุดก็เหมือนกับการค้นหาเข็มในกองหญ้า มีหลายพันสูตรที่เป็นไปได้
ดังนั้น Yang, Zhang และทีมจึงร่วมมือกับSinéad Griffin นักวิทยาศาสตร์ประจำแผนก Molecular Foundry and Materials Sciences Division ของ Berkeley Lab ที่เชี่ยวชาญด้านการออกแบบวัสดุใหม่สำหรับการใช้งานที่หลากหลาย รวมถึงคอมพิวเตอร์ควอนตัมและไมโครอิเล็กทรอนิกส์
ด้วยการสนับสนุนจาก โครงการวัสดุกริฟฟินใช้ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ ศูนย์คอมพิวเตอร์วิทยาศาสตร์วิจัยพลังงานแห่งชาติ (NERSC) เพื่อทำการคำนวณทางทฤษฎีขั้นสูงโดยใช้วิธีการที่เรียกว่าทฤษฎีความหนาแน่น-ฟังก์ชัน
ด้วยการคำนวณเหล่านี้ ซึ่งใช้โครงสร้างอะตอมและสปีชีส์เคมีเป็นข้อมูลป้อนเข้า และสามารถทำนายคุณสมบัติต่างๆ เช่น โครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์และเฟอร์โรอิเล็กทริก กริฟฟินและทีมของเธอเน้นไปที่ CGB ซึ่งเป็นสารอนินทรีย์ชนิดเดียวที่ทำเครื่องหมายในช่องทั้งหมดบนตัวนักวิจัย รายการสินค้าที่ต้องการเฟอร์โรอิเล็กทริก perovskite: มันไม่สมมาตรหรือไม่? ใช่ โครงสร้างอะตอมของมันดูเหมือนรูปสี่เหลี่ยมขนมเปียกปูน ลูกพี่ลูกน้องที่คดเคี้ยวของสี่เหลี่ยมผืนผ้า มันเป็น perovskite จริงๆเหรอ? ใช่ สูตรทางเคมี – CeGeBr 3 – ตรงกับโครงสร้างปากโป้งของ perovskite ของABX 3
นักวิจัยตั้งทฤษฎีว่าการจัดวางเจอร์เมเนียมแบบอสมมาตรไว้ตรงกลางคริสตัลจะสร้างศักยภาพที่เหมือนกับสนามไฟฟ้าที่แยกอิเล็กตรอนบวกออกจากอิเล็กตรอนเชิงลบเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า แต่พวกเขาพูดถูกไหม?
