การศึกษาและพัฒนาวัสดุเพอรอฟสไกท์ที่ทนต่อสถาวะความเค็มของน้ำทะเลอ่าวไทย

บทคัดย่อ

โครงการวิจัยนี้ ผู้วิจัยได้นำชั้นโลหะออกไซด์หนาแน่นสูง (compact metal oxide)/ชั้นเลือกประจุ (charge selective contact) ที่ได้พัฒนาขึ้นมาใช้ร่วมในโครงสร้างของเซลล์แสงอาทิตย์แบบเพอรอฟสไกท์ที่ประกอบด้วยวัสดุชั้นเลือกประจุอิเล็กตรอนที่ผ่านการปรับเปลี่ยนพื้นผิวด้วยเกลือโพเซียมที่แตกต่าง โดยมีเป้าหมายสูงสุดสู่การประดิษฐ์เซลล์แสงอาทิตย์ต้นแบบบนแผ่นรองรับขนาด 1 ตารางนิ้ว ที่มีประสิทธิภาพอย่างน้อย 18% และทำการศึกษาปัจจัยของการปรับเปลี่ยนพื้นผิวนี้ยังประสิทธิภาพและเสถียรภาพการใช้งานของเซลล์ภายใต้สภาวะสิ่งแวดล้อมที่ควบคุม (ความชื้น 40-50%RH ณ อุณหภูมิ 25-30?C) เพื่อหาปัจจัยการเตรียมเซลล์เพอรอฟสไกท์ต้นแบบในระดับห้องปฎิบัติการที่มีประสิทธิภาพสูงมากกว่า 18 เปอร์เซ็นต์ การเตรียมชิ้นงานเซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไกท์ที่มีค่าประสิทธิภาพการแปลงพลังงานแสงเป็นพลังงานไฟฟ้าสูงกว่าร้อยละ 18 ประกอบด้วยการปรับเปลี่ยนวัสดุเลือกประจุอิเล็กตรอน (ETL) ของ SnO2 ด้วย KCl KI และ KOH จากการศึกษาและจากทดลองพบว่า ค่าพารามิเตอร์ทุกตัวมีค่าลดลงเมื่อทำการปรับเปลี่ยนพื้นผิวด้วย KCl ส่งผลให้ประสิทธิภาพการแปลงพลังงานเฉลี่ยของเซลล์ในทุกเงื่อนไขมีค่าลดลงดังแสดงในตารางที่ 4.1 นอกจากนี้พบว่า โครงสร้างผลึกของวัสดุเพอรอสไกท์ไม่มีการเปลี่ยนแปลงอันเนื่องจากผลชองการปรับเปลี่ยนพื้นผิวของ SnO2 ด้วย KCl ในขณะที่ค่าของกระแสและแรงดันของเซลล์แสงอาทิตย์แบบเพอรอฟสไกท์ที่มีการปรับเปลี่ยนวัสดุ ETL ของ SnO2 ด้วยความเข้มข้นของ KI ที่ความเข้มข้นเป็น 1 2 และ 5 มิลลิกรัมต่อมิลลิลิตร ส่งผลต่อค่าแรงดันขณะเปิดวงจรในเซลล์ต้นแบบ โดยพบว่าในกรณีที่ไม่มีการปรับเปลี่ยน SnO2 แรงดันขณะเปิดวงจรจะมีค่าเพียง 1.07 โวลต์ (เมื่อมีการใช้ ETL และ HTL เป็น SnO2 และ spiro ometad) จาการทดลองพบว่าค่าแรงดันมีการเพิ่มขึ้นเป็น 1.10 1.11 และ 1.08 โวลต์ เมื่อใช้ KI ที่ 1 2 5 มิลลิกรัมต่อมิลลิลิตร ตามลำดับ ค่ากระแสขณะลัดวงจรเพิ่มขึ้นสูงถึง 22.26 มิลลิแอมป์ต่อตารางเซนติเมตร ในกรณีใช้ KI เท่ากับ 5 มิลลิกรัมต่อมิลลิลิตร ส่งผลให้ค่าประสิทธิภาพสูงสุดของเซลล์ต้นแบบมีค่าสูงถึง 18.66 เปอร์เซ็นต์ โดยมีค่าแรงดันขณะเปิดวงจร ค่ากระแสลัดวงจร และค่าฟิลแฟคเตอร์ เป็น 1.11 โวลต์ 22.21มิลลิแอมป์ต่อตารางเซนติเมตร และ 75.69 ตามลำดับ ประสิทธิภาพของเซลล์ที่ไม่มีการปรับเปลี่ยน SnO2 จะมีการลดถอยตามเวลาที่ทำการทดสอบ โดยพบว่าประสิทธิภาพเฉลี่ยที่ประมาณ 17.8 เปอร์เซ็นต์ มีค่าลดลงเป็น 16.5% เมื่อผ่านไป 456 ชั่วโมงที่ทดสอบ ในขณะที่เซลล์ต้นแบบที่มีการปรับเปลี่ยน SnO2 ด้วย KI นั้น พบว่าเซลล์มีประสิทธิภาพเฉลี่ยที่มีค่าเพิ่มขึ้นในช่วงระยะเวลา 288 ชั่วโมงที่ทดสอบ และจะมีค่าลดลง เมื่อผ่านไป 256 ชั่วโมง การปรับเปลี่ยน SnO2 ด้วย KI เท่ากับ 5 มิลลิกรัมต่อมิลลิลิตรจะแสดงการถดถอยของประสิทธิภาพที่มีค่าต่ำที่สุด โดยเซลล์ต้นแบบยังคงมีประสิทธิภาพเฉลี่ยสูงมากกว่า 18 เปอร์เซ็นต์เมื่อผ่านไป 456 ชั่วโมง การเพิ่มขึ้นของประสิทธิภาพของเซลล์แสดงให้เห็นถึงอิทธิพลของ K และ I ไอออน ซึ่งอาจจะมีการเคลื่อนที่จากบริเวณรอยต่อสู่วัสดุเพอรอฟสไกท์เมื่อทำการ aging การเคลื่อนที่ของ K และ I ไปยังวัสดุเพอรอฟสไกท์ช่วยลดค่าความพร่องในวัสดุเพอรอฟสไกท์และการเปลี่ยนแปลงเชิงโครงสร้างของวัสดุเพอรอฟสไกท์แบบ CH3NH3PbI3 การศึกษา และการทดลองเพิ่มเติมเพื่อศึกษาการกระจายตัวของ K และ I ในวัสดุเพอรอฟสไกท์ต้องการการวิเคราะห์เพิ่มเติมซึ่งอาจจะเกิดขอบเขตการศึกษา วิจัย และพัฒนาของโครงการนี้ นอกจากนี้ ผู้วิจัยใช้เทคนิค inverse temperature crystallization (ITC) ในการเตรียมผลึกเดี่ยวของวัสดุเพอรอฟสไกท์ เนื่องจากเทคนิค ITC ใช้เวลาในการเตรียมผลึกเดี่ยวสั้นกว่าเทคนิคดังเดิมคือ solution temperature lowering (STL) (สำหรับผลึกเดี่ยวขนาด 5 มิลลิเมตร การเตรียมด้วยเทคนิค ITC และ STL จะใช้เวลาประมาณ 5 ชั่วโมง และ 2 อาทิตย์ ตามลำดับ ปัจจัยที่ถูกพิจารณาสำหรับเทคนิค ITC ในงานวิจัยนี้ ได้แก่ ความเข้มข้นของสารละลาย อุณหภูมิของสารละลาย และอัตราการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิของสารละลาย และประสบผลสำเร็จในการเตรียมผลึกเดี่ยวของเพอรอสไกท์ และได้นำผลึกเดี่ยวนี้ไปศึกษาปัจจัยการเคลือบบนแผ่นรองรับด้วยเทคโนโลยี slot die เป็นครั้งแรกในประเทศไทย

คำสำคัญ