“ควอนตัมดอทจากกากกาแฟไทย” คิดค้นขั้วไฟฟ้าคาร์บอนแบบใหม่เสริมสมรรถนะในเพอรอฟสไกต์โซลาร์เซลล์แบบโค้งงอได้

ทีมนักวิจัยห้องปฏิบัติการวิจัยเซลล์แสงอาทิตย์ (SCRL) ภาควิชาฟิสิกส์และวัสดุศาสตร์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ ร่วมกับนักวิจัยไทยและต่างประเทศ ศึกษาและคิดค้นขั้วไฟฟ้าคาร์บอนแบบใหม่โดยการใช้วัสดุผสมระหว่างวัสดุนาโนคาร์บอนกับพอลิเมอร์ สำหรับการขยายขนาดในเพอรอฟสไกต์โซลาร์เซลล์แบบโค้งงอได้ ต้นทุนต่ำ น้ำหนักเบา นำไฟฟ้าได้ดี มีความยืดหยุ่นและความคงทนสูง พร้อมต่อยอดสู่การใช้งานจริง

งานวิจัยนี้พัฒนาการเตรียมฟิล์มคาร์บอนจากกระบวนการแลกเปลี่ยนกับตัวทำละลายเอทานอลที่มีส่วนผสมของวัสดุนาโนคาร์บอนอย่างรีดิวซ์การฟีนออกไซด์ (rGO) ผสมกับคาร์บอนควอนตัมดอทจากกากกาแฟไทย (กาแฟอาราบิก้า 100% ขุนช่างเคี่ยน, CMU Coffee) และโพลิเอทิลีนไกลคอล (PEG) หรือเรียกสั้นๆว่า “rCP” ที่ช่วยเพิ่มศักยภาพของฟิล์มคาร์บอนแบบใหม่ (C-rCP) ให้มีความยืดหยุ่นสูง มีการนำไฟฟ้าที่ดี และมีความเหมาะสมในการใช้เป็นขั้วนำไฟฟ้าสำหรับเพอรอฟสไกต์โซลาร์เซลล์แบบโค้งงอได้ เนื่องจากสมบัติทางโครงสร้างของรีดิวซ์กราฟีนออกไซด์ที่มีโครงสร้างแบบ 2 มิติ (2D) และคาร์บอนควอนตัมดอทที่มีโครงสร้างแบบ 0 มิติ (0D) ทำให้สามารถเข้าไปช่วยในการเชื่อมประสานรอยต่อ (Passivation) แบบ 2 มิติ และ 3 มิติในโครงสร้างระดับไมโครของฟิล์มคาร์บอนแบบทั่วไปได้ นอกจากนี้ขั้วไฟฟ้า C-rCP ยังมีสมบัติการยืดหยุ่นและการมีกาวในตัวเอง (Self-adhesive) เพิ่มขึ้นจากส่วนผสมของโพลิเอทิลีนไกลคอล (PEG) ทำให้ขั้วไฟฟ้าดังกล่าวสามารถยึดติดกับชั้นส่งผ่านโฮลของเพอรอฟสไกต์โซลาร์เซลล์ได้ดียิ่งขึ้น เทคนิคดังกล่าวช่วยเพิ่มคุณภาพของฟิล์มคาร์บอนและช่วยลดการรวมกลับของประจุไฟฟ้าที่รอยต่อระหว่างชั้นส่งผ่านโฮลกับขั้วไฟฟ้าคาร์บอน เมื่อนำขั้วไฟฟ้า C-rCP ไปประยุกต์เพอรอฟสไกต์แบบโค้งงอได้ที่ขนาด 1.00 ตารางเซนติเมตร พบว่ามีประสิทธิภาพการแปลงกำลังงาน 8.80% ภายใต้แสงมาตรฐาน AM1.5G และให้ประสิทธิภาพการแปลงกำลังงาน 21.61% ภายใต้แสงจากหลอดไฟ LED ที่ความเข้มแสง 1000 ลักซ์ ยิ่งไปกว่านั้นยังคงความเสถียรในระยะยาวได้ถึง 80% เป็นเวลานานกว่า 1,000 ชั่วโมง และคงทนต่อการโค้งงอมากกว่า 1,200 ครั้ง โดยไม่มีการห่อหุ้ม

ขั้วไฟฟ้าแบบใหม่นี้เตรียมจากกระบวนการที่ต้นทุนต่ำและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ขั้วไฟฟ้าที่ได้สามารถโค้งงอได้ น้ำหนักเบา นำไฟฟ้าได้ดี มีความยืดหยุ่นและความคงทนสูง เหมาะสำหรับการใช้งานในประเทศไทย การคิดค้นและพัฒนาในครั้งนี้ จึงเป็นหนึ่งแนวทางในการต่อยอดสู่อุตสาหกรรมพลังงานสะอาดต่อไปในอนาคต

งานวิจัยนี้จึงสอดคล้องกับ SDG 7: Affordable and Clean Energy ที่มุ่งเน้นการสร้างหลักประกันว่าทุกคนเข้าถึงพลังงานสะอาดสมัยใหม่ที่เชื่อถือได้และยั่งยืนในราคาย่อมเยา

การอ้างอิงของงานวิจัย

Passatorntaschakorn, W., Khampa, W., Musikpan, W., Bhoomanee, C., Ngamjarurojana, A., Rimjaem, S., … & Wongratanaphisan, D. (2023). A novel carbon electrode for up-scaling flexible perovskite solar cells. Applied Materials Today, 34, 101895.
งานวิจัยถูกตีพิมพ์ในวารสาร Applied Materials Today (Q1 ISI/Scopus, Impact Factor 8.3) Published: October 2023

ผู้ที่สนใจสามารถอ่านเพิ่มเติมได้ที่
https://doi.org/10.1016/j.apmt.2023.101895

รายชื่อนักวิจัย

ทีมนักวิจัยห้องปฏิบัติการวิจัยเซลล์แสงอาทิตย์ (SCRL) ภาควิชาฟิสิกส์และวัสดุศาสตร์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ ประกอบด้วย นางสาววรพรหม พัสธรธัชกร (นักศึกษาทุน คปก. ระดับปริญญาเอก) ภายใต้การให้คำปรึกษาของ รศ.ดร.ดวงมณี ว่องรัตนะไพศาล และ รศ.ดร.พิพัฒน์ เรือนคำ โดยมีนักวิจัยร่วมคือ นางสาววารุณี คำปา (นักศึกษาทุน พสวท. ระดับปริญญาเอก), นายวงศธร มุสิกปาน (นักศึกษาทุน พสวท. ระดับปริญญาโท), ดร. ชวลิต ภู่มณี, อ.ดร.อัจฉราวรรณ กาศเจริญ ร่วมกับอาจารย์ ภาควิชาฟิสิกส์และวัสดุศาสตร์ ประกอบด้วย รศ.ดร.อธิพงศ์ งามจารุโรจน์, ผศ.ดร.สาคร ริมแจ่ม ทีมนักวิจัยจากสถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน) ประกอบด้วย Dr. Hideki Nakajima, ดร.รัชฎาภรณ์ ทรัพย์เรืองเนตร ทีมนักวิจัยจากกลุ่มสาขาวิชาวัสดุศาสตร์และนวัตกรรมวัสดุ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล ประกอบด้วย รศ.ดร.พงศกร กาญจนบุษย์, นางสาวลัดดา สระทองเศียร นักวิจัยจากหน่วยวิจัยด้านพลังงานและสิ่งแวดล้อมอัจฉริยะ (SEEU) วิทยาลัยพลังงานทดแทน ประกอบด้วย รศ.ดร.อัครินทร์ อินทนิเวศน์ ทีมนักวิจัยทีมวิจัยนวัตรรมเคลือบนาโน กลุ่มวิจัยวัสดุผสมและการเคลือบนาโน นาโนเทค สวทช. ประกอบด้วย ดร. พิศิษฐ์ คำหน่อแก้ว, ดร.อนุศิษย์ แก้วประจักร์ นักวิจัยจาก National Yang Ming Chiao Tung University สาธารณรัฐจีน (ไต้หวัน) ประกอบด้วย นางสาวณัฐชา คำบุญเกิด ทีมนักวิจัยจาก Konkuk University สาธารณรัฐเกาหลี ประกอบด้วย Prof. Dr. Han S. Kim, ดร.ชาติชาย รอดวิหก และร่วมกับนักวิจัยจาก CY Cergy Paris Université สาธารณรัฐฝรั่งเศส ประกอบด้วย Prof. Dr. Fabrice Goubard