EP.1 Tandem Solar Cell: เจาะลึกเทคโนโลยี "ซ้อนชั้น" ที่จะทลายขีดจำกัดของโซล่าเซลล์

การวิเคราะห์เทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์แบบแทนเดม (Tandem Solar Cells) ฉบับสมบูรณ์: จากทฤษฎีสู่การปฏิวัติอุตสาหกรรมพลังงาน

บทนำ: การปฏิวัติวงการเซลล์แสงอาทิตย์สู่ยุคใหม่ด้วยเทคโนโลยีแทนเดม
ในยุคที่การเปลี่ยนผ่านสู่เศรษฐกิจคาร์บอนต่ำเป็นวาระสำคัญระดับโลก เทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์ (Photovoltaics - PV) ได้กลายเป็นหัวใจหลักในการสร้างสรรค์แหล่งพลังงานที่ยั่งยืนและสะอาด ปัจจุบัน ตลาดเซลล์แสงอาทิตย์ถูกครอบงำโดยเทคโนโลยีซิลิคอน ซึ่งมีความน่าเชื่อถือและต้นทุนที่ลดลงอย่างต่อเนื่อง อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีซิลิคอนกำลังเผชิญกับข้อจำกัดทางฟิสิกส์พื้นฐานที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ นั่นคือประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานกำลังเข้าใกล้ขีดจำกัดสูงสุดตามทฤษฎี ในบริบทนี้ การเพิ่มประสิทธิภาพการแปลงพลังงาน (Power Conversion Efficiency - PCE) ต่อหน่วยพื้นที่ ถือเป็นกลยุทธ์ที่ตรงจุดและมีประสิทธิภาพสูงสุดในการลดต้นทุนการผลิตไฟฟ้าต่อหน่วย (Levelized Cost of Electricity - LCOE) ซึ่งจะช่วยผลักดันให้มีการยอมรับและใช้งานพลังงานแสงอาทิตย์ในวงกว้างยิ่งขึ้น  

เพื่อก้าวข้ามข้อจำกัดดังกล่าว ชุมชนนักวิชาการและภาคอุตสาหกรรมได้มุ่งเป้าไปที่กลยุทธ์ที่มีศักยภาพสูงสุด นั่นคือการพัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์แบบ "แทนเดม" (Tandem Solar Cells) เทคโนโลยีนี้ไม่ได้เป็นเพียงการปรับปรุงเล็กน้อย แต่เป็นการเปลี่ยนแปลงกระบวนทัศน์ในการออกแบบเซลล์แสงอาทิตย์อย่างสิ้นเชิง โดยมีเป้าหมายเพื่อปลดล็อกเพดานประสิทธิภาพที่สูงขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ รายงานฉบับนี้จะทำการวิเคราะห์เทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์แบบแทนเดมอย่างละเอียดและครอบคลุมทุกมิติ ตั้งแต่หลักการพื้นฐานทางฟิสิกส์ วัสดุศาสตร์ที่ใช้ สถาปัตยกรรมหลัก ความท้าทายทางเทคนิค ภูมิทัศน์เชิงพาณิชย์ ไปจนถึงแนวโน้มในอนาคต เพื่อสร้างความเข้าใจที่ลึกซึ้งถึงศักยภาพในการปฏิวัติอุตสาหกรรมพลังงานของเทคโนโลยีนี้  

ภาคที่ 1: หลักการพื้นฐานและฟิสิกส์ของเซลล์แสงอาทิตย์แบบแทนเดม
1.1 การก้าวข้ามขีดจำกัด Shockley-Queisser
หัวใจสำคัญที่ผลักดันให้เกิดการพัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์แบบแทนเดมคือความพยายามที่จะเอาชนะข้อจำกัดพื้นฐานที่เรียกว่า "ขีดจำกัดช็อกลีย์-ไควส์เซอร์" (Shockley-Queisser Limit หรือ S-Q Limit) ซึ่งเป็นเพดานทางทฤษฎีของประสิทธิภาพเซลล์แสงอาทิตย์แบบรอยต่อเดียว (Single-junction)

ขีดจำกัดพื้นฐานของเซลล์รอยต่อเดียว
ในปี 1961 วิลเลียม ช็อกลีย์ และ ฮันส์-โยอาคิม ไควส์เซอร์ ได้คำนวณและนำเสนอขีดจำกัดทางทฤษฎีสูงสุดของประสิทธิภาพเซลล์แสงอาทิตย์ที่ใช้รอยต่อ p-n เพียงรอยต่อเดียวในการรวบรวมพลังงาน การคำนวณนี้ตั้งอยู่บนสมมติฐานในอุดมคติหลายประการ เช่น โฟตอนที่ตกกระทบหนึ่งตัวจะสร้างคู่อิเล็กตรอน-โฮลเพียงหนึ่งคู่ และพลังงานส่วนเกินของคู่อิเล็กตรอน-โฮลจะสูญเสียไปในรูปของความร้อนอย่างรวดเร็ว ภายใต้สเปกตรัมแสงอาทิตย์มาตรฐาน (AM1.5G) ขีดจำกัด S-Q ระบุว่าประสิทธิภาพการแปลงพลังงานสูงสุดที่เป็นไปได้อยู่ที่ประมาณ 33.7% สำหรับวัสดุที่มีค่าช่องว่างแถบพลังงาน (Bandgap -  

E
g
​
) ที่เหมาะสมที่สุดคือประมาณ 1.34 อิเล็กตรอนโวลต์ (eV) สำหรับซิลิคอนซึ่งเป็นวัสดุที่นิยมใช้มากที่สุด มีค่าช่องว่างแถบพลังงานประมาณ 1.12 eV ทำให้มีขีดจำกัดประสิทธิภาพสูงสุดทางทฤษฎีอยู่ที่ประมาณ 32%  

กลไกการสูญเสียพลังงานหลัก
ขีดจำกัด S-Q เกิดขึ้นจากกลไกการสูญเสียพลังงานพื้นฐานสองประการที่ไม่สามารถหลีกเลี่ยงได้ในเซลล์แบบรอยต่อเดียว:

การสูญเสียจากการทะลุผ่าน (Transmission Losses): โฟตอนในสเปกตรัมแสงอาทิตย์ที่มีพลังงานต่ำกว่าค่าช่องว่างแถบพลังงานของวัสดุ (E
photon
​
<E
g
​
) จะไม่ถูกดูดกลืน แต่จะเดินทางทะลุผ่านเซลล์ไปโดยไม่สร้างกระแสไฟฟ้าใดๆ การสูญเสียนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในย่านแสงอินฟราเรดของสเปกตรัม ตัวอย่างเช่น สำหรับเซลล์ซิลิคอน (  

E
g
​
1.12 eV) ประมาณ 19% ของพลังงานในสเปกตรัม AM1.5G มีพลังงานต่ำกว่าค่านี้และไม่สามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้  

การสูญเสียจากความร้อน (Thermalization Losses): ในทางกลับกัน โฟตอนที่มีพลังงานสูงกว่าค่าช่องว่างแถบพลังงาน (E
photon
​
>E
g
​
) จะถูกดูดกลืนและสร้างคู่อิเล็กตรอน-โฮลที่มีพลังงานสูง อย่างไรก็ตาม พลังงานส่วนเกิน (E
photon
​
E
g
​
) จะสูญเสียไปอย่างรวดเร็วในรูปของความร้อน (ผ่านการสั่นของโครงสร้างผลึกหรือโฟนอน) ขณะที่อิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นลดระดับพลังงานลงมาอยู่ที่ขอบของแถบการนำไฟฟ้า (Conduction Band) การสูญเสียนี้เป็นสาเหตุหลักของความไร้ประสิทธิภาพ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับโฟตอนพลังงานสูงในย่านแสงสีน้ำเงินและสีเขียว  

ทางออกด้วยโครงสร้างแทนเดม
แนวคิดของเซลล์แบบแทนเดมถูกออกแบบมาเพื่อจัดการกับกลไกการสูญเสียทั้งสองนี้โดยตรง แทนที่จะใช้วัสดุเพียงชนิดเดียว สถาปัตยกรรมแบบแทนเดมจะใช้วัสดุสารกึ่งตัวนำอย่างน้อยสองชั้นวางซ้อนกันในแนวตั้ง โดยแต่ละชั้นมีค่าช่องว่างแถบพลังงานที่แตกต่างกันและถูกเลือกมาอย่างดีเพื่อแบ่งกันดูดกลืนสเปกตรัมแสงอาทิตย์อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด  

กลไกการทำงานคือ เซลล์ชั้นบน (Top Cell) จะทำจากวัสดุที่มีค่าช่องว่างแถบพลังงานกว้าง (Wide-bandgap) ซึ่งจะดูดกลืนโฟตอนพลังงานสูง (เช่น แสงสีน้ำเงินและสีเขียว) ได้อย่างมีประสิทธิภาพ การทำเช่นนี้ช่วยลดการสูญเสียจากความร้อนได้อย่างมาก เนื่องจากพลังงานส่วนเกินของโฟตอนจะน้อยลง ในขณะเดียวกัน โฟตอนพลังงานต่ำ (เช่น แสงสีแดงและอินฟราเรด) ที่เซลล์ชั้นบนดูดกลืนไม่ได้ จะเดินทางทะลุผ่านไปยังเซลล์ชั้นล่าง (Bottom Cell) ซึ่งทำจากวัสดุที่มีค่าช่องว่างแถบพลังงานแคบ (Narrow-bandgap) และถูกออกแบบมาเพื่อดูดกลืนโฟตอนในย่านพลังงานนี้โดยเฉพาะ ซึ่งช่วยลดการสูญเสียจากการทะลุผ่านได้อย่างมีนัยสำคัญ  

ด้วยวิธีการแบ่งสเปกตรัมแสงอาทิตย์เช่นนี้ เทคโนโลยีแทนเดมจึงมีศักยภาพทางทฤษฎีที่สูงกว่าเซลล์แบบรอยต่อเดียวอย่างมาก โดยประสิทธิภาพทางทฤษฎีสำหรับเซลล์แทนเดมแบบสองรอยต่อ (Two-junction) อยู่ที่ประมาณ 46%, แบบสามรอยต่อ (Three-junction) อยู่ที่ประมาณ 50% และในกรณีที่มีรอยต่อจำนวนอนันต์ อาจสูงถึง 68.7% ภายใต้แสงอาทิตย์ปกติ ซึ่งแสดงให้เห็นถึงศักยภาพมหาศาลของแนวทางนี้  

1.2 สถาปัตยกรรมและกลไกการทำงาน
เซลล์แสงอาทิตย์แบบแทนเดมมีสถาปัตยกรรมหลักสองรูปแบบ ซึ่งแตกต่างกันในวิธีการเชื่อมต่อเซลล์ย่อย (Sub-cell) ทั้งทางไฟฟ้าและทางกลศาสตร์ อันได้แก่ โครงสร้างแบบสองขั้วไฟฟ้าและสี่ขั้วไฟฟ้า

โครงสร้างแบบสองขั้วไฟฟ้า (Two-Terminal - 2T Monolithic Configuration)
โครงสร้างแบบ 2T หรือที่เรียกว่าแบบเสาหิน (Monolithic) เป็นรูปแบบที่ได้รับความสนใจมากที่สุดในเชิงพาณิชย์ ในสถาปัตยกรรมนี้ เซลล์ย่อยชั้นบนและชั้นล่างจะถูกสร้างหรือเคลือบทับกันโดยตรง และเชื่อมต่อกันทางไฟฟ้าแบบอนุกรมผ่านชั้นพิเศษที่เรียกว่า "ชั้นเชื่อมต่อระหว่างกัน" (Interconnection Layer - ICL) หรือ "ชั้นการรวมตัวกันอีกครั้ง" (Recombination Layer)  

ข้อได้เปรียบหลักของโครงสร้าง 2T คือความเรียบง่ายในการผลิตเป็นโมดูลสำเร็จรูป เนื่องจากมีขั้วไฟฟ้าเพียงสองขั้ว (บวกและลบ) เหมือนกับเซลล์แสงอาทิตย์ทั่วไป ทำให้สามารถผนวกรวมเข้ากับระบบที่มีอยู่ได้ง่าย นอกจากนี้ยังช่วยลดต้นทุนและลดการสูญเสียทางแสงที่อาจเกิดจากขั้วไฟฟ้าโปร่งใสและสายไฟเพิ่มเติม ทำให้เป็นตัวเลือกที่น่าสนใจและปฏิบัติได้จริงสำหรับการใช้งานขนาดใหญ่  

อย่างไรก็ตาม ความท้าทายที่สำคัญที่สุดของโครงสร้าง 2T คือ "ข้อกำหนดการจับคู่กระแส" (Current-matching requirement) เนื่องจากการเชื่อมต่อแบบอนุกรม กระแสไฟฟ้าโดยรวมของอุปกรณ์จะถูกจำกัดโดยเซลล์ย่อยที่ผลิตกระแสได้น้อยที่สุด สิ่งนี้สร้างข้อจำกัดที่เข้มงวดในการเลือกค่าช่องว่างแถบพลังงานและความหนาของแต่ละชั้น เพื่อให้แน่ใจว่าการดูดกลืนโฟตอนมีความสมดุลและสร้างกระแสที่เท่ากันในเซลล์ย่อยทั้งสอง หากกระแสไม่สมดุล ประสิทธิภาพโดยรวมของเซลล์จะลดลงอย่างมาก  

โครงสร้างแบบสี่ขั้วไฟฟ้า (Four-Terminal - 4T Mechanically Stacked Configuration)
ในโครงสร้างแบบ 4T เซลล์ย่อยชั้นบนและชั้นล่างจะถูกผลิตขึ้นอย่างอิสระจากกัน จากนั้นจึงนำมาวางซ้อนกันทางกลศาสตร์หรือเชื่อมต่อกันทางแสง แต่ละเซลล์ย่อยจะมีขั้วไฟฟ้าเป็นของตัวเอง (รวมเป็นสี่ขั้ว) และทำงานได้อย่างเป็นอิสระ  

ข้อได้เปรียบที่สำคัญของโครงสร้าง 4T คือการขจัดข้อจำกัดเรื่องการจับคู่กระแส การที่แต่ละเซลล์ทำงานแยกจากกันทำให้มีความยืดหยุ่นสูงในการเลือกใช้วัสดุและค่าช่องว่างแถบพลังงานที่แตกต่างกันได้หลากหลายมากขึ้น และสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของแต่ละเซลล์ได้อย่างอิสระ ส่งผลให้มีศักยภาพในการให้ผลผลิตพลังงานที่สูงขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งภายใต้สภาวะแสงที่เปลี่ยนแปลงไป  

กระนั้น โครงสร้าง 4T ก็มีข้อจำกัดในตัวเองเช่นกัน คือมีความซับซ้อนและต้นทุนในการผลิตและติดตั้งสูงกว่าแบบ 2T อย่างมาก การมีขั้วไฟฟ้าสี่ขั้วจำเป็นต้องใช้ส่วนประกอบของระบบเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า เช่น อินเวอร์เตอร์หรือตัวแปลง DC-DC นอกจากนี้ การมีชั้นโปร่งใสและขั้วไฟฟ้าเพิ่มเติมอาจทำให้เกิดการดูดกลืนแสงที่ไม่พึงประสงค์ (Parasitic absorption) ซึ่งลดปริมาณแสงที่จะไปถึงเซลล์ชั้นล่างได้  

การที่อุตสาหกรรมมุ่งเน้นไปที่การพัฒนาโครงสร้างแบบ 2T เป็นหลัก สะท้อนให้เห็นว่าสำหรับตลาดเซลล์แสงอาทิตย์ภาคพื้นดิน ความสามารถในการผลิตและต้นทุนที่แข่งขันได้ ถูกมองว่าเป็นอุปสรรคที่สำคัญกว่าการบรรลุประสิทธิภาพสูงสุดทางทฤษฎี ขณะที่โครงสร้าง 4T อาจยังคงมีความสำคัญสำหรับการใช้งานเฉพาะทางที่ต้องการประสิทธิภาพสูงสุดโดยไม่คำนึงถึงต้นทุน เช่น ในอุตสาหกรรมอวกาศ การเปรียบเทียบระหว่างสองสถาปัตยกรรมนี้สะท้อนถึงภาวะที่กลืนไม่เข้าคายไม่ออกทางวิศวกรรมแบบคลาสสิก ระหว่างการบูรณาการเพื่อความเรียบง่ายและคุ้มค่า กับการแยกส่วนเพื่อประสิทธิภาพและความยืดหยุ่น  

ภาคที่ 2: วัสดุศาสตร์และเทคโนโลยีหัวใจหลักของเซลล์แทนเดม
ความก้าวหน้าอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์แบบแทนเดมมีรากฐานมาจากการค้นพบและพัฒนาวัสดุชนิดใหม่ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง "เพอรอฟสไกต์" ซึ่งได้กลายเป็นดาวเด่นและเป็นหัวใจสำคัญของเซลล์แสงอาทิตย์ยุคถัดไป

2.1 เพอรอฟสไกต์: วัสดุมหัศจรรย์สำหรับเซลล์ยุคถัดไป
เพอรอฟสไกต์ชนิดเมทัลฮาไลด์ (Metal Halide Perovskites) ได้รับการยอมรับว่าเป็นวัสดุที่มีศักยภาพสูงสุดสำหรับการใช้งานในเซลล์แบบแทนเดม เนื่องจากมีคุณสมบัติทางแสงและทางไฟฟ้าที่โดดเด่นหลายประการ คุณสมบัติที่สำคัญที่สุดคือเป็นสารกึ่งตัวนำชนิดช่องว่างแถบพลังงานตรง (Direct bandgap) ซึ่งหมายความว่าสามารถดูดกลืนแสงได้อย่างมีประสิทธิภาพสูง มีค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงสูง (High absorption coefficient) ทำให้สามารถใช้ฟิล์มบางเพียงไม่กี่ร้อยนาโนเมตรก็สามารถดูดกลืนแสงอาทิตย์ได้เกือบทั้งหมด นอกจากนี้ยังมีพลังงานยึดเหนี่ยวเอ็กซิตอนต่ำ (Low exciton binding energy) ซึ่งช่วยให้คู่อิเล็กตรอน-โฮลที่เกิดจากการดูดกลืนแสงสามารถแยกตัวออกจากกันเป็นพาหะอิสระได้อย่างมีประสิทธิภาพ และมีระยะการแพร่ของพาหะประจุยาว (Long charge-carrier diffusion length) ทำให้พาหะสามารถเดินทางไปยังขั้วไฟฟ้าได้โดยไม่สูญเสียไปกับการรวมตัวกันอีกครั้ง  

จุดเด่นที่สำคัญที่สุดของเพอรอฟสไกต์คือความสามารถในการปรับแต่งคุณสมบัติได้หลากหลายผ่าน "วิศวกรรมองค์ประกอบ" (Compositional engineering) โครงสร้างผลึกไอออนิกของเพอรอฟสไกต์มีสูตรทั่วไปคือ  

ABX
3
​
โดยตำแหน่ง A, B และ X สามารถแทนที่ด้วยไอออนต่างๆ ได้ การแทนที่ไอออนในตำแหน่ง A ด้วยแคทไอออนอินทรีย์หรืออนินทรีย์ต่างชนิดกัน (เช่น Methylammonium - MA
+
, Formamidinium - FA
+
, Cesium - Cs
+
), การแทนที่ไอออนในตำแหน่ง B ด้วยโลหะ (เช่น Lead - Pb
2+
, Tin - Sn
2+
) และการแทนที่ไอออนในตำแหน่ง X ด้วยแฮไลด์ (เช่น Iodide - I

, Bromide - Br

, Chloride - Cl

) ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถปรับจูนค่าช่องว่างแถบพลังงานได้อย่างแม่นยำในขอบเขตที่กว้างมาก ตั้งแต่ 1.17 eV ถึง 3.10 eV ความสามารถในการปรับแต่งนี้ทำให้เพอรอฟสไกต์มีความหลากหลายและเหมาะสมอย่างยิ่งที่จะใช้เป็นวัสดุดูดกลืนแสงสำหรับเซลล์ชั้นบนในโครงสร้างแทนเดม  

นอกจากคุณสมบัติทางไฟฟ้าและแสงที่ยอดเยี่ยมแล้ว เพอรอฟสไกต์ยังมีข้อได้เปรียบด้านกระบวนการผลิตที่มีต้นทุนต่ำ โดยสามารถผลิตได้ด้วยกระบวนการเคลือบสารละลาย (Solution-processing) ที่อุณหภูมิต่ำ ซึ่งแตกต่างอย่างสิ้นเชิงกับเทคโนโลยีรอยต่อหลายชั้นแบบ III-V แบบดั้งเดิมที่ต้องใช้เทคนิคการเติบโตของผลึกแบบเอพิแทกเซียลในสภาวะสุญญากาศสูงและมีต้นทุนมหาศาล ปัจจัยด้านต้นทุนต่ำนี้เป็นแรงผลักดันสำคัญที่ทำให้เทคโนโลยีแทนเดมที่ใช้เพอรอฟสไกต์ได้รับความสนใจในเชิงพาณิชย์อย่างล้นหลาม  

2.2 เซลล์แทนเดมเพอรอฟสไกต์บนซิลิคอน (Perovskite-on-Silicon Tandem Cells - PSTSCs)
เซลล์แทนเดมเพอรอฟสไกต์บนซิลิคอน (PSTSCs) ถือเป็นสถาปัตยกรรมชั้นนำและเป็นที่จับตามองมากที่สุดในปัจจุบัน แนวทางนี้เป็นการผสมผสานจุดแข็งของสองเทคโนโลยีเข้าด้วยกัน โดยใช้ประโยชน์จากอุตสาหกรรมซิลิคอนที่มีความสมบูรณ์สูง มีเสถียรภาพ และครองตลาดอยู่แล้ว มาเป็นเซลล์ชั้นล่าง และใช้เพอรอฟสไกต์ที่มีประสิทธิภาพสูงและสามารถปรับแต่งค่าช่องว่างแถบพลังงานได้มาเป็นเซลล์ชั้นบน ค่าช่องว่างแถบพลังงานของซิลิคอนที่ประมาณ 1.12 eV เหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับการดูดกลืนแสงในย่านอินฟราเรดที่ทะลุผ่านเซลล์เพอรอฟสไกต์ชั้นบนซึ่งมีช่องว่างแถบพลังงานกว้างกว่า  

การพัฒนาประสิทธิภาพของ PSTSCs เป็นไปอย่างก้าวกระโดด จากการสาธิตในช่วงแรกๆ เทคโนโลยีนี้สามารถทำลายสถิติประสิทธิภาพของเซลล์ซิลิคอนเดี่ยวได้อย่างรวดเร็ว และยังก้าวข้ามขีดจำกัด S-Q ของเซลล์แบบรอยต่อเดียวได้สำเร็จ ความสำเร็จครั้งสำคัญต่างๆ ได้รับการรับรองและบันทึกไว้เป็นสถิติโลก เช่น การที่บริษัท LONGi สามารถสร้างเซลล์ที่มีประสิทธิภาพสูงถึง 33.9% และ 34.6% และสถิติล่าสุดที่ปรากฏในแผนภูมิของห้องปฏิบัติการพลังงานทดแทนแห่งชาติสหรัฐอเมริกา (NREL) คือ 34.9% ซึ่งทำได้โดยสถาบัน Fraunhofer ISE และ AMOLF ในปี 2024 ความสำเร็จเหล่านี้ถือเป็นหมุดหมายสำคัญในประวัติศาสตร์การพัฒนาเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์  

อย่างไรก็ตาม การผนวกรวมสองเทคโนโลยีที่แตกต่างกันนี้ก็มาพร้อมกับความท้าทายทางเทคนิค หนึ่งในปัญหาหลักคือการเคลือบฟิล์มเพอรอฟสไกต์ชั้นบนให้มีคุณภาพสม่ำเสมอและครอบคลุมทั่วถึงบนพื้นผิวของเวเฟอร์ซิลิคอนเชิงอุตสาหกรรม ซึ่งมักจะมีลักษณะเป็นพีระมิดขนาดเล็ก (Textured surface) พื้นผิวลักษณะนี้ถูกออกแบบมาเพื่อดักจับแสงและลดการสะท้อนในเซลล์ซิลิคอน แต่ในขณะเดียวกันก็สร้างความยากลำบากในการเคลือบฟิล์มบางให้เรียบและปราศจากข้อบกพร่อง ดังนั้น การวิจัยและพัฒนาวัสดุใหม่ๆ สำหรับชั้นขนส่งโฮล (Hole Transport Layers - HTLs) และโมเลกุลที่จัดเรียงตัวเองได้ (Self-Assembled Molecules - SAMs) จึงมีความสำคัญอย่างยิ่งในการแก้ปัญหานี้และเพิ่มประสิทธิภาพของอุปกรณ์  

2.3 เซลล์แทนเดมแบบเพอรอฟสไกต์ล้วน (All-Perovskite Tandem Solar Cells - APTSCs)
นอกเหนือจาก PSTSCs แล้ว เซลล์แทนเดมแบบเพอรอฟสไกต์ล้วน (APTSCs) ก็เป็นอีกหนึ่งแนวทางที่น่าสนใจ ซึ่งเป็นการใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติของเพอรอฟสไกต์อย่างเต็มรูปแบบ ข้อได้เปรียบของ APTSCs คือมีศักยภาพที่จะมีต้นทุนการผลิตที่ต่ำยิ่งกว่า เนื่องจากสามารถผลิตอุปกรณ์ทั้งหมดได้ด้วยกระบวนการเคลือบสารละลาย และยังเข้ากันได้ดีกับพื้นผิวที่ยืดหยุ่นและมีน้ำหนักเบา ซึ่งเปิดโอกาสในการใช้งานที่หลากหลายกว่า  

ความท้าทายหลักของ APTSCs อยู่ที่การพัฒนาเซลล์เพอรอฟสไกต์ชั้นล่างที่มีช่องว่างแถบพลังงานแคบ (Narrow-bandgap - NBG) ให้มีทั้งประสิทธิภาพและเสถียรภาพสูง โดยทั่วไปแล้ว การสร้างเพอรอฟสไกต์ที่มีช่องว่างแถบพลังงานแคบจำเป็นต้องผสมดีบุก (Tin - Sn) เข้าไปในตำแหน่ง B ของโครงสร้างผลึก อย่างไรก็ตาม ไอออนดีบุกในสถานะออกซิเดชัน  

Sn
2+
นั้นไม่เสถียรและมีแนวโน้มที่จะถูกออกซิไดซ์ไปเป็น Sn
4+
ได้ง่าย ซึ่งจะสร้างข้อบกพร่องในผลึกและทำให้ประสิทธิภาพและเสถียรภาพของอุปกรณ์ลดลงอย่างรุนแรง ปัญหาความไม่เสถียรของวัสดุนี้จึงเป็นอุปสรรคสำคัญที่ต้องมีการวิจัยและพัฒนาต่อไป  

แม้จะมีความท้าทายดังกล่าว แต่ประสิทธิภาพของ APTSCs ก็เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว โดยมีสถิติที่ได้รับการรับรองสูงถึง 28.0% แล้ว ตามทฤษฎีแล้ว การจับคู่ค่าช่องว่างแถบพลังงานที่เหมาะสมที่สุดสำหรับ APTSCs คือประมาณ 1.8 eV สำหรับเซลล์ชั้นบนที่มีช่องว่างแถบพลังงานกว้าง (Wide-bandgap - WBG) และ 1.2 eV สำหรับเซลล์ชั้นล่างที่มีช่องว่างแถบพลังงานแคบ ซึ่งคาดว่าจะสามารถให้ประสิทธิภาพการแปลงพลังงานสูงสุดได้ถึงประมาณ 44%  

การพิจารณาเปรียบเทียบระหว่างสองเทคโนโลยีนี้เผยให้เห็นถึงกลยุทธ์ที่แตกต่างกัน PSTSCs เป็นกลยุทธ์เชิงปฏิบัติที่เรียกว่า "การเชื่อมต่อ" (Bridging strategy) ซึ่งมุ่งลดการเปลี่ยนแปลงในระบบนิเวศการผลิตซิลิคอนที่มีมูลค่ามหาศาล โดยเป็นการเสนอ "การอัปเกรด" ให้กับสายการผลิตเดิมมากกว่าการแทนที่ทั้งหมด ซึ่งช่วยลดอุปสรรคและความเสี่ยงสำหรับผู้ผลิตรายเดิม ในทางกลับกัน APTSCs เป็นตัวแทนของ "การเปลี่ยนแปลงอย่างสิ้นเชิง" (Disruptive end-goal) ที่มีวิสัยทัศน์ถึงอนาคตของเซลล์แสงอาทิตย์ที่สามารถพิมพ์ได้ ยืดหยุ่น และมีต้นทุนต่ำมาก แต่ก็ต้องอาศัยการสร้างโครงสร้างพื้นฐานการผลิตใหม่ทั้งหมดและต้องแก้ไขปัญหาพื้นฐานด้านเสถียรภาพของวัสดุให้ได้ก่อน ดังนั้น แม้ว่าปัจจุบันแรงผลักดันในเชิงพาณิชย์จะอยู่ที่ PSTSCs แต่ APTSCs ก็ยังคงเป็นเป้าหมายระยะยาวที่มีศักยภาพในการเปลี่ยนโฉมหน้าของเซลล์แสงอาทิตย์และการใช้งานไปอย่างสิ้นเชิง

ภาคที่ 3: ความท้าทายทางเทคนิคและพรมแดนแห่งการวิจัย
แม้ว่าเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์แบบแทนเดมจะแสดงศักยภาพที่น่าทึ่ง แต่การนำเทคโนโลยีนี้ไปสู่การใช้งานเชิงพาณิชย์ในวงกว้างยังคงต้องเผชิญกับความท้าทายทางเทคนิคที่สำคัญหลายประการ ซึ่งเป็นหัวข้อวิจัยที่กำลังดำเนินไปอย่างเข้มข้นทั่วโลก

3.1 เสถียรภาพและความคงทน: อุปสรรคสำคัญสู่การใช้งานเชิงพาณิชย์
ปัญหาด้านเสถียรภาพและความคงทนในระยะยาว (Long-term operational stability) ถือเป็นอุปสรรคที่ใหญ่ที่สุดที่ขัดขวางการนำเทคโนโลยีที่ใช้เพอรอฟสไกต์ไปสู่ตลาดเชิงพาณิชย์ ในขณะที่แผงเซลล์แสงอาทิตย์ซิลิคอนในปัจจุบันมีการรับประกันอายุการใช้งานนานถึง 25-30 ปี เทคโนโลยีเพอรอฟสไกต์ยังคงต้องพิสูจน์ให้ได้ว่าสามารถทนทานต่อสภาวะการใช้งานจริงได้ในระยะเวลาที่ใกล้เคียงกัน  

กลไกการเสื่อมสภาพ
การเสื่อมสภาพของเซลล์เพอรอฟสไกต์สามารถเกิดขึ้นได้จากหลายปัจจัย ทั้งจากภายนอกและภายในตัววัสดุเอง:

ปัจจัยภายนอก (Extrinsic Factors): เพอรอฟสไกต์มีความไวต่อปัจจัยแวดล้อมอย่างมาก เช่น ความชื้น ออกซิเจน อุณหภูมิสูง และรังสีอัลตราไวโอเลต (UV) ซึ่งปัจจัยเหล่านี้สามารถทำให้โครงสร้างผลึกของเพอรอฟสไกต์สลายตัวได้ ตัวอย่างเช่น ความชื้นสามารถทำปฏิกิริยากับเพอรอฟสไกต์และทำให้เกิดการสลายตัวกลับไปเป็นสารตั้งต้นได้  

ปัจจัยภายใน (Intrinsic Factors): ตัววัสดุเพอรอฟสไกต์เองก็มีความไม่เสถียรโดยธรรมชาติ ปรากฏการณ์ที่สำคัญคือ "การเคลื่อนที่ของไอออน" (Ion migration) ซึ่งไอออนองค์ประกอบ (เช่น ไอออนแฮไลด์และแคทไอออนในตำแหน่ง A) สามารถเคลื่อนที่ภายในโครงสร้างผลึกได้เมื่อมีสนามไฟฟ้าหรือแสงสว่าง ซึ่งอาจทำให้คุณสมบัติของอุปกรณ์เปลี่ยนแปลงไปทั้งแบบที่ย้อนกลับได้และไม่ได้ นอกจากนี้ ในเพอรอฟสไกต์ชนิดผสมแฮไลด์ (Mixed-halide) ยังอาจเกิด "การแยกเฟสที่เกิดจากแสง" (Light-induced phase segregation) โดยวัสดุจะแยกตัวออกเป็นบริเวณที่อุดมด้วยไอโอดีนและบริเวณที่อุดมด้วยโบรมีน ซึ่งมีค่าช่องว่างแถบพลังงานต่างกัน ส่งผลให้แรงดันไฟฟ้าของเซลล์ลดลงและประสิทธิภาพโดยรวมต่ำลง  

กลยุทธ์การเพิ่มเสถียรภาพ
เพื่อรับมือกับปัญหาเหล่านี้ นักวิจัยได้พยายามใช้กลยุทธ์หลายแนวทางพร้อมกัน ไม่ว่าจะเป็นการปรับปรุงองค์ประกอบทางเคมีของเพอรอฟสไกต์เอง เช่น การเติมซีเซียมหรือรูบิเดียมเพื่อเพิ่มความเสถียรของโครงสร้างผลึก, การพัฒนาเทคนิคการห่อหุ้ม (Encapsulation) ที่มีประสิทธิภาพสูงเพื่อป้องกันเซลล์จากปัจจัยแวดล้อม, และการออกแบบชั้นขนส่งประจุและส่วนรอยต่อ (Interface) ที่มีความเสถียรและเข้ากันได้ดีกับเพอรอฟสไกต์  

3.2 การขยายขนาดการผลิตและกระบวนการทางอุตสาหกรรม
ความท้าทายที่สำคัญอีกประการหนึ่งคือการเปลี่ยนผ่านจากกระบวนการผลิตในห้องปฏิบัติการไปสู่การผลิตเชิงอุตสาหกรรมในปริมาณมาก (Scale-up) เซลล์ที่มีประสิทธิภาพสูงในระดับห้องปฏิบัติการมักถูกผลิตขึ้นในพื้นที่ขนาดเล็ก (ไม่กี่ตารางเซนติเมตร) โดยใช้เทคนิคการเคลือบแบบหมุนเหวี่ยง (Spin-coating) ซึ่งไม่เหมาะกับการผลิตขนาดใหญ่ การขยายขนาดการผลิตไปสู่แผงขนาดใหญ่ (ระดับตารางเมตร) จำเป็นต้องรักษาคุณภาพของฟิล์มให้สม่ำเสมอและมีข้อบกพร่องน้อยที่สุด ซึ่งเป็นเรื่องที่ท้าทายอย่างยิ่ง  

เทคนิคการเคลือบแบบสล็อตดาย (Slot-Die Coating)
เทคนิคการเคลือบแบบสล็อตดาย (Slot-die coating) ได้รับการยอมรับว่าเป็นหนึ่งในกระบวนการที่มีศักยภาพสูงสุดสำหรับการผลิตขนาดใหญ่ เนื่องจากสามารถควบคุมความหนาของฟิล์มได้อย่างแม่นยำ ใช้วัสดุอย่างคุ้มค่า และเข้ากันได้ดีกับกระบวนการผลิตแบบม้วนต่อม้วน (Roll-to-Roll - R2R) อย่างไรก็ตาม การควบคุมจลนพลศาสตร์การตกผลึกของเพอรอฟสไกต์ในระหว่างกระบวนการเคลือบที่รวดเร็วและต่อเนื่องนี้มีความซับซ้อนสูง ปัจจัยต่างๆ เช่น สูตรของหมึกพิมพ์เพอรอฟสไกต์ อัตราการไหล ความเร็วของพื้นผิว และอุณหภูมิ ล้วนส่งผลต่อคุณภาพของฟิล์มที่ได้ การหา "หน้าต่างการทำงาน" (Coating window) ที่เหมาะสมที่สุดเพื่อให้ได้ฟิล์มที่สม่ำเสมอและมีคุณภาพสูงจึงเป็นความท้าทายทางวิศวกรรมที่สำคัญ  

3.3 วิศวกรรมส่วนรอยต่อและการจัดการการสูญเสีย
ในระดับจุลภาค ประสิทธิภาพของเซลล์แทนเดมขึ้นอยู่กับคุณภาพของส่วนรอยต่อ (Interface) ระหว่างชั้นวัสดุต่างๆ เป็นอย่างมาก การสูญเสียประสิทธิภาพส่วนใหญ่เกิดขึ้นที่บริเวณรอยต่อเหล่านี้ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง "การรวมตัวกันอีกครั้งแบบไม่แผ่รังสี" (Non-radiative recombination) ซึ่งเป็นกระบวนการที่คู่อิเล็กตรอน-โฮลกลับมารวมตัวกันและสูญเสียพลังงานไปในรูปของความร้อนแทนที่จะสร้างกระแสไฟฟ้าหรือแสงสว่าง ปรากฏการณ์นี้เป็นปัจจัยหลักที่จำกัดแรงดันไฟฟ้าของเซลล์ โดยเฉพาะที่รอยต่อระหว่างชั้นเพอรอฟสไกต์และชั้นขนส่งประจุ  

การลดข้อบกพร่องและชั้นเชื่อมต่อ
กลยุทธ์สำคัญในการลดการสูญเสียนี้คือ "การลดข้อบกพร่อง" (Defect passivation) ซึ่งเป็นการใช้โมเลกุลหรือชั้นฟิล์มบางๆ เข้าไป "รักษา" หรือทำให้ข้อบกพร่องบนพื้นผิวและขอบเกรน (Grain boundaries) ของฟิล์มเพอรอฟสไกต์หมดฤทธิ์ สำหรับเซลล์แบบ 2T ชั้นเชื่อมต่อระหว่างกัน (ICL) มีบทบาทสำคัญสองประการ คือต้องโปร่งใสเพื่อให้แสงผ่านได้ และต้องมีประสิทธิภาพทางไฟฟ้าในการรวมอิเล็กตรอนจากเซลล์ย่อยหนึ่งเข้ากับโฮลจากอีกเซลล์ย่อยหนึ่งได้อย่างราบรื่น ความก้าวหน้าล่าสุดในการใช้โมเลกุลที่จัดเรียงตัวเองได้ (SAMs) เพื่อปรับปรุงทั้งการลดข้อบกพร่องและการสกัดประจุไปพร้อมๆ กัน ถือเป็นแนวทางการวิจัยที่น่าจับตามองและมีศักยภาพสูงในการเพิ่มประสิทธิภาพของเซลล์แทนเดม  

ความท้าทายทั้งสามด้านนี้มีความเชื่อมโยงกันอย่างลึกซึ้ง กระบวนการผลิตที่ขยายขนาดได้อาจสร้างข้อบกพร่องใหม่ๆ ที่ส่วนรอยต่อ ซึ่งส่งผลกระทบต่อเสถียรภาพ ในขณะที่การปรับปรุงเสถียรภาพอาจต้องใช้วัสดุหรือกระบวนการที่ไม่สามารถขยายขนาดได้ ดังนั้น การพัฒนาผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์ที่ประสบความสำเร็จจึงต้องอาศัยแนวทางแบบองค์รวม ที่นักวิทยาศาสตร์วัสดุ วิศวกรกระบวนการ และนักฟิสิกส์อุปกรณ์ต้องทำงานร่วมกันอย่างใกล้ชิด นอกจากนี้ การสูญเสียประสิทธิภาพเมื่อเปลี่ยนจากเซลล์ขนาดเล็กไปสู่โมดูลขนาดใหญ่ (Cell-to-module loss) ซึ่งอาจสูงถึง 10% (ค่าสัมบูรณ์) ก็เป็นอุปสรรคสำคัญที่มักถูกมองข้าม การวิจัยด้านการออกแบบโมดูล ตัวนำไฟฟ้าโปร่งใสที่ขยายขนาดได้ และการเคลือบพื้นที่ขนาดใหญ่อย่างสม่ำเสมอ จึงมีความสำคัญไม่ยิ่งหย่อนไปกว่าการวิจัยตัววัสดุเพอรอฟสไกต์เอง