แชร์

Beyond Silicon: เจาะลึก 3+1 วัสดุโซล่าเซลล์แห่งอนาคต ที่จะเปลี่ยนโลกพลังงาน

Miss Kaewthip

อัพเดทล่าสุด: 3 ต.ค. 2025

49 ผู้เข้าชม

เหนือกว่าซิลิคอน: การวิเคราะห์เชิงลึกถึงวัสดุอุบัติใหม่สำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ยุคถัดไป
บทนำ: ความจำเป็นของเซลล์แสงอาทิตย์ยุคหลังซิลิคอน
ในขณะที่โลกกำลังเปลี่ยนผ่านสู่พลังงานหมุนเวียน เซลล์แสงอาทิตย์ (Photovoltaics) ได้กลายเป็นหัวใจสำคัญของการเปลี่ยนแปลงนี้ โดยมีเทคโนโลยีซิลิคอนผลึก (Crystalline Silicon) เป็นผู้ครองตลาดอย่างไม่มีใครเทียบได้ อย่างไรก็ตาม แม้ว่าซิลิคอนจะเป็นกำลังหลักในการปฏิวัติพลังงานแสงอาทิตย์ แต่การเติบโตในระยะต่อไปและความหลากหลายในการใช้งานจำเป็นต้องอาศัยวัสดุรุ่นใหม่ การเปลี่ยนแปลงนี้ขับเคลื่อนด้วยปัจจัยหลักหลายประการ ได้แก่ ความต้องการที่จะก้าวข้ามขีดจำกัดประสิทธิภาพพื้นฐาน ความจำเป็นในการลดต้นทุนทางเศรษฐกิจและผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมจากกระบวนการผลิต และความปรารถนาที่จะสร้างเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์ที่มีคุณสมบัติใหม่ๆ เช่น ความยืดหยุ่นและความโปร่งใส เพื่อประยุกต์ใช้ในงานที่นอกเหนือไปจากฟาร์มพลังงานแสงอาทิตย์และหลังคาบ้านแบบดั้งเดิม

ความสำเร็จของอุตสาหกรรมเซลล์แสงอาทิตย์ซิลิคอนได้ผลักดันให้ต้นทุนลดลงอย่างมหาศาลในช่วงสองทศวรรษที่ผ่านมา แต่เทคโนโลยีนี้กำลังเข้าใกล้ขีดจำกัดทั้งในทางปฏิบัติและทางทฤษฎี การแสวงหาวัสดุใหม่จึงมุ่งเน้นไปที่สามแรงจูงใจหลัก:

ประสิทธิภาพ: ความจำเป็นในการเอาชนะเพดานประสิทธิภาพทางอุณหพลศาสตร์ของเซลล์แบบรอยต่อเดี่ยว (Single-junction)

เศรษฐศาสตร์และความยั่งยืน: กระบวนการผลิตซิลิคอนที่มีความบริสุทธิ์สูงนั้นใช้พลังงานและน้ำปริมาณมหาศาล ซึ่งเป็นเรื่องย้อนแย้งของการใช้กระบวนการที่สิ้นเปลืองพลังงานเพื่อสร้างผลิตภัณฑ์พลังงานหมุนเวียน จึงเกิดความต้องการวัสดุที่มีต้นทุนการผลิตและผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมต่ำกว่า

ฟังก์ชันการใช้งาน: ความต้องการการใช้งานรูปแบบใหม่ๆ เช่น เซลล์แสงอาทิตย์ที่ติดตั้งในอาคาร (Building-integrated photovoltaics - BIPV) อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สวมใส่ได้ และแหล่งพลังงานแบบพกพา ซึ่งต้องการคุณสมบัติที่ไม่มีในแผ่นซิลิคอนที่แข็งและเปราะ เช่น ความยืดหยุ่น น้ำหนักเบา และความโปร่งแสง

ด้วยเหตุนี้ วัสดุกลุ่มต่างๆ เช่น เพอรอฟสไกต์ (Perovskites) โครงสร้างแบบแทนเดม (Tandem Structures) เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดอินทรีย์ (Organic Photovoltaics) และควอนตัมดอท (Quantum Dots) จึงกลายเป็นตัวเลือกชั้นนำที่จะเข้ามาตอบโจทย์ความท้าทายเหล่านี้ การผลักดันวัสดุใหม่เหล่านี้ไม่ใช่เพียงแค่ความพยายามในการวิจัยและพัฒนาเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพทีละน้อย แต่เป็นการกระจายความหลากหลายของเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์อย่างมีกลยุทธ์เพื่อให้สอดคล้องกับภูมิทัศน์พลังงานที่หลากหลายขึ้น อนาคตไม่ได้ขึ้นอยู่กับการค้นหา "ผู้ฆ่าซิลิคอน" เพียงหนึ่งเดียว แต่เป็นการพัฒนาชุดเทคโนโลยีที่ปรับให้เหมาะกับการใช้งานเฉพาะทาง ตั้งแต่การผลิตไฟฟ้าขนาดใหญ่ไปจนถึงเซ็นเซอร์ในอาคารที่ใช้พลังงานต่ำ

มาตรฐานซิลิคอนและเพดานทางอุณหพลศาสตร์: ความเข้าใจเกี่ยวกับขีดจำกัดช็อกลีย์-ไควส์เซอร์
เพื่อที่จะเข้าใจถึงแรงผลักดันเบื้องหลังการพัฒนาวัสดุใหม่ จำเป็นต้องทำความเข้าใจรากฐานทางวิทยาศาสตร์ที่ควบคุมประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์แบบดั้งเดิมเสียก่อน นั่นคือ ขีดจำกัดช็อกลีย์-ไควส์เซอร์ (Shockley-Queisser Limit) ซึ่งเป็นผลงานของวิลเลียม ช็อกลีย์ และฮันส์-โยอาคิม ไควส์เซอร์ ในปี 1961 ขีดจำกัดนี้ไม่ใช่ตัวเลขที่กำหนดขึ้นมาลอยๆ แต่เป็นผลมาจากฟิสิกส์พื้นฐานที่ควบคุมปฏิสัมพันธ์ระหว่างแสงอาทิตย์กับสารกึ่งตัวนำชนิดรอยต่อเดี่ยว (Single p-n junction) โดยมีกลไกการสูญเสียพลังงานหลักที่สำคัญดังนี้

กลไกการสูญเสียพลังงานหลัก
การสูญเสียจากความร้อน (Thermalization Loss): โฟตอน (อนุภาคแสง) ที่มีพลังงานสูงกว่าค่าแถบพลังงาน (Bandgap, $E_g$) ของวัสดุ จะสร้างพาหะนำไฟฟ้าที่ "ร้อน" หรือมีพลังงานสูง พลังงานส่วนเกินนี้ ($E_{text{photon}} - E_g$) จะสูญเสียไปในรูปของความร้อนอย่างรวดเร็วในขณะที่พาหะนำไฟฟ้าคลายตัวลงมาอยู่ที่ขอบของแถบพลังงาน ทำให้พลังงานที่สามารถสกัดออกมาได้จากแต่ละโฟตอนมีค่าเท่ากับ $E_g$ เท่านั้น นี่คือกลไกการสูญเสียที่ใหญ่ที่สุด

การสูญเสียจากการไม่ดูดกลืนแสง (Non-absorption Loss): โฟตอนที่มีพลังงานต่ำกว่าค่าแถบพลังงาน ($E_g$) จะเดินทางผ่านวัสดุไปโดยไม่ถูกดูดกลืน และไม่สามารถสร้างกระแสไฟฟ้าได้เลย

การสูญเสียจากการแผ่รังสีของวัตถุดำ (Blackbody Radiation Loss): ตัวเซลล์แสงอาทิตย์เอง ซึ่งมีอุณหภูมิสูงกว่าศูนย์สัมบูรณ์ จะแผ่รังสีพลังงานกลับสู่สิ่งแวดล้อม ซึ่งเป็นช่องทางการสูญเสียเล็กน้อยแต่เป็นพื้นฐานทางฟิสิกส์

กลไกเหล่านี้ส่งผลให้เกิดเส้นโค้งประสิทธิภาพ ซึ่งมีค่าสูงสุดอยู่ที่ประมาณ 33.7% สำหรับวัสดุที่มีแถบพลังงานในอุดมคติที่ $1.34$ ถึง $1.4$ eV

ซิลิคอนในบริบทของขีดจำกัดช็อกลีย์-ไควส์เซอร์
ซิลิคอนซึ่งเป็นวัสดุหลักในปัจจุบัน มีค่าแถบพลังงานอยู่ที่ $1.12$ eV ซึ่งไม่ตรงกับค่าในอุดมคติ ส่งผลให้มีขีดจำกัดประสิทธิภาพทางทฤษฎีสูงสุดต่ำกว่า อยู่ที่ประมาณ 32% นอกจากนี้ หากพิจารณาการสูญเสียจากการรวมตัวแบบออเจอร์ (Auger recombination) ซึ่งเป็นกระบวนการที่ไม่แผ่รังสีและไม่ได้รวมอยู่ในแบบจำลองพื้นฐานของช็อกลีย์-ไควส์เซอร์ ขีดจำกัดประสิทธิภาพในทางปฏิบัติของซิลิคอนจะลดลงเหลือเพียง 29.4% ในความเป็นจริง เซลล์ซิลิคอนรอยต่อเดี่ยวที่มีประสิทธิภาพสูงสุดในห้องปฏิบัติการทำได้ประมาณ 27% และโมดูลเชิงพาณิชย์มีประสิทธิภาพต่ำกว่านั้นอีก

ภาระในการผลิตซิลิคอน
นอกเหนือจากขีดจำกัดทางทฤษฎีแล้ว การผลิตซิลิคอนยังเป็นกระบวนการที่สิ้นเปลืองทรัพยากรอย่างมหาศาล เริ่มตั้งแต่การเปลี่ยนซิลิคอนเกรดโลหกรรม (Metallurgical-grade silicon) ให้เป็นซิลิคอนเกรดสารกึ่งตัวนำที่มีความบริสุทธิ์ถึง 99.9999% ผ่านกระบวนการซีเมนส์ (Siemens process) ที่ใช้พลังงานสูง ตามด้วยการปลูกผลึกซิลิคอนด้วยกระบวนการโซกราลสกี (Czochralski process) ที่ใช้อุณหภูมิสูง และการตัดเป็นแผ่นเวเฟอร์ ซึ่งทั้งหมดนี้ต้องใช้พลังงานและน้ำบริสุทธิ์ยิ่งยวด (Ultrapure water) ในปริมาณมหาศาล มีการประเมินว่าการใช้พลังงานของบริษัทผู้ผลิตสารกึ่งตัวนำเพียง 28 แห่ง เทียบเท่ากับการใช้พลังงานของเมืองที่มีประชากร 25.2 ล้านคน

ขีดจำกัดช็อกลีย์-ไควส์เซอร์ไม่ได้เป็นเพียงอุปสรรค แต่ยังเป็นเหมือนแผนที่นำทาง การที่แบบจำลองนี้ชี้ให้เห็นถึงกลไกการสูญเสียหลักๆ ได้เปิดทางไปสู่กลยุทธ์ในการเอาชนะข้อจำกัดเหล่านั้นโดยตรง การสูญเสียจากความร้อนในโฟตอนพลังงานสูงและการไม่ดูดกลืนโฟตอนพลังงานต่ำเป็นปัญหาที่ขัดแย้งกันเองในวัสดุชนิดเดียว การแก้ปัญหาหนึ่งมักจะทำให้อีกปัญหาหนึ่งแย่ลง ข้อสรุปที่หลีกเลี่ยงไม่ได้คือ ไม่มีวัสดุ ชนิดเดียว ใดที่สามารถแก้ปัญหานี้ได้อย่างสมบูรณ์ แนวทางในอนาคตจึงต้องเกี่ยวข้องกับการใช้ วัสดุหลายชนิด ร่วมกัน ซึ่งนำไปสู่แนวคิดของเซลล์แสงอาทิตย์แบบแทนเดมหรือแบบหลายรอยต่อโดยตรง และยังนำไปสู่แนวทางที่ล้ำสมัยยิ่งขึ้น เช่น การสร้างมัลติเพิลเอกซิตอน (Multiple Exciton Generation) ในควอนตัมดอท ซึ่งเป็นความพยายามที่จะเก็บเกี่ยวพลังงานความร้อนที่สูญเสียไปจากโฟตอนพลังงานสูง ดังนั้น วัสดุยุคใหม่ทั้งหมดที่จะกล่าวถึงในรายงานนี้จึงเปรียบเสมือนคำตอบที่ถูกเสนอขึ้นเพื่อแก้ปัญหาที่ขีดจำกัดช็อกลีย์-ไควส์เซอร์ได้วางกรอบไว้นั่นเอง

เพอรอฟสไกต์แฮไลด์: การผงาดขึ้นอย่างรวดเร็วของผู้ท้าชิงรายใหม่
เซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไกต์ (Perovskite Solar Cells - PSCs) ได้สร้างปรากฏการณ์ในวงการเซลล์แสงอาทิตย์ด้วยการพัฒนาที่รวดเร็วอย่างไม่เคยมีมาก่อน โดยมีประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นจาก 3.8% ไปสู่ระดับมากกว่า 26% ภายในเวลาเพียงทศวรรษเศษ ความสำเร็จนี้เกิดจากคุณสมบัติพื้นฐานอันยอดเยี่ยมของโครงสร้างผลึกเพอรอฟสไกต์ชนิด

$ABX_3$

คุณสมบัติพื้นฐานและประสิทธิภาพ
โครงสร้างผลึกไอออนิกทั่วไปของเพอรอฟสไกต์ประกอบด้วยไอออนบวก A (เช่น เมทิลแอมโมเนียม, ฟอร์มามิดิเนียม), ไอออนบวกโลหะ B (เช่น ตะกั่ว, ดีบุก) และไอออนลบแฮไลด์ X (เช่น ไอโอไดด์, โบรไมด์) โครงสร้างนี้ทำให้เพอรอฟสไกต์มีคุณสมบัติทางแสงและทางไฟฟ้าที่โดดเด่น เช่น สัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงสูง ระยะการแพร่ของพาหะนำไฟฟ้าที่ยาวไกล และความคล่องตัวของอิเล็กตรอนสูง จุดเด่นที่สำคัญที่สุดคือความทนทานต่อตำหนิในผลึก (Defect tolerance) ซึ่งทำให้สามารถผลิตเซลล์ที่มีประสิทธิภาพสูงได้แม้ใช้วัสดุที่มีความบริสุทธิ์เพียง 90% และผ่านกระบวนการผลิตแบบสารละลายที่มีต้นทุนต่ำ ซึ่งแตกต่างอย่างสิ้นเชิงกับซิลิคอนที่ต้องการความบริสุทธิ์สูงถึง 99.9999% ปัจจุบัน สถิติประสิทธิภาพสูงสุดของเซลล์เพอรอฟสไกต์แบบรอยต่อเดี่ยวที่ได้รับการรับรองอยู่ที่ 26.7% ซึ่งทำได้โดยมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งประเทศจีน แม้ว่าจะทดสอบบนเซลล์ขนาดเล็กเพียง

$0.052 text{ cm}^2$ ก็ตาม

อย่างไรก็ตาม ระหว่างความสำเร็จในห้องปฏิบัติการกับการนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์อย่างแพร่หลาย ยังมีอุปสรรคสำคัญสามประการที่ต้องก้าวข้าม

ความท้าทายที่ 1: วิกฤตด้านเสถียรภาพ
ปัญหาหลักของเพอรอฟสไกต์คือความไม่เสถียร ซึ่งสามารถแบ่งได้เป็นการเสื่อมสภาพภายใน (Intrinsic degradation) เช่น การเคลื่อนที่ของไอออนและตำหนิในวัสดุ และการเสื่อมสภาพภายนอกจากปัจจัยแวดล้อม (Extrinsic degradation) เช่น ความชื้น ออกซิเจน แสงยูวี และความร้อน พันธะไอออนิกที่อ่อนแอในโครงสร้างทำให้เพอรอฟสไกต์ไวต่อความชื้นเป็นพิเศษ ส่งผลให้อายุการใช้งานในช่วงแรกของการวิจัยสั้นมาก เพียง 2-3 ปี เทียบกับซิลิคอนที่ใช้งานได้นาน 25-30 ปี นักวิจัยกำลังพยายามแก้ไขปัญหานี้ผ่านหลายกลยุทธ์ เช่น การปรับเปลี่ยนองค์ประกอบทางเคมี (Compositional engineering) การลดตำหนิที่พื้นผิวรอยต่อ (Defect passivation) และการใช้เทคนิคการห่อหุ้ม (Encapsulation) ที่แข็งแรงทนทาน

ความท้าทายที่ 2: ปัญหาเรื่องสารตะกั่ว
ความกังวลด้านสิ่งแวดล้อมและสุขภาพเกิดจากการใช้ตะกั่ว ซึ่งเป็นไอออนบวกที่ตำแหน่ง B ที่ให้ประสิทธิภาพสูงสุดในปัจจุบัน อันตรายที่เฉพาะเจาะจงคือ ตะกั่วในเพอรอฟสไกต์สามารถละลายน้ำได้ ซึ่งหมายความว่าหากแผงเซลล์ได้รับความเสียหาย สารพิษอาจรั่วไหลสู่สิ่งแวดล้อมและเข้าสู่ห่วงโซ่อาหารได้ง่ายกว่ามลพิษตะกั่วในรูปแบบอื่น การวิจัยเพื่อหาวัสดุทางเลือกที่ปราศจากตะกั่ว เช่น เพอรอฟสไกต์ที่ใช้ดีบุก ยังคงดำเนินต่อไป แต่ปัจจุบันยังประสบปัญหาประสิทธิภาพที่ต่ำกว่าและความไม่เสถียรเนื่องจากการเกิดออกซิเดชันของดีบุกได้ง่าย

ความท้าทายที่ 3: อุปสรรคด้านการขยายขนาดการผลิต
สถิติประสิทธิภาพสูงในห้องปฏิบัติการมักทำได้โดยใช้เทคนิคการเคลือบแบบหมุนเหวี่ยง (Spin-coating) ซึ่งไม่เหมาะกับการผลิตจำนวนมาก ความท้าทายอยู่ที่การรักษาความสม่ำเสมอและคุณภาพของฟิล์มเพอรอฟสไกต์บนพื้นที่ขนาดใหญ่ ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญในการป้องกันการสูญเสียประสิทธิภาพเมื่อขยายขนาดจากเซลล์เล็กๆ ไปสู่โมดูลขนาดเต็ม จึงมีความจำเป็นต้องเปลี่ยนไปใช้กระบวนการที่ขยายขนาดได้ เช่น การเคลือบแบบสล็อต-ดาย (Slot-die coating) และการพิมพ์แบบม้วนต่อม้วน (Roll-to-roll processing)

ความท้าทายหลักของเพอรอฟสไกต์ทั้งสามด้านนี้มีความเชื่อมโยงกันอย่างซับซ้อน การพยายามแก้ปัญหาหนึ่งอาจทำให้อีกปัญหาหนึ่งแย่ลง สร้างเป็นโจทย์การหาค่าที่เหมาะสม (Optimization problem) ที่มีหลายตัวแปร ตัวอย่างเช่น การแทนที่ตะกั่วด้วยดีบุกเพื่อแก้ปัญหาความเป็นพิษกลับทำให้ปัญหาความเสถียรแย่ลง หรือการใช้การห่อหุ้มที่ซับซ้อนเพื่อเพิ่มความเสถียรอาจเพิ่มต้นทุนและขัดขวางความสามารถในการขยายขนาดการผลิต ดังนั้น ความก้าวหน้าของเทคโนโลยีเพอรอฟสไกต์จึงไม่ใช่เส้นทางตรง แต่เป็นการสร้างสมดุล การค้นพบครั้งสำคัญจะไม่ใช่การค้นพบเพียงสิ่งเดียว แต่จะเป็นโซลูชันแบบองค์รวมที่ปรับทั้งองค์ประกอบของวัสดุ วิศวกรรมพื้นผิวรอยต่อ และกระบวนการผลิตให้เหมาะสมที่สุด เพื่อให้ได้ความสมดุลที่ยอมรับได้ในเชิงพาณิชย์ทั้งในด้านประสิทธิภาพ เสถียรภาพ ต้นทุน และความปลอดภัย

โครงสร้างแบบแทนเดม: แนวทางผนึกกำลังเพื่อก้าวข้ามขีดจำกัดประสิทธิภาพ
เซลล์แสงอาทิตย์แบบแทนเดม (Tandem Solar Cells) ถือเป็นกลยุทธ์ที่มีความเป็นไปได้ในเชิงพาณิชย์มากที่สุดในการทลายขีดจำกัดช็อกลีย์-ไควส์เซอร์ หลักการทำงานของมันคือการแบ่งสเปกตรัมแสง (Spectral splitting) โดยการวางเซลล์ที่มีแถบพลังงานกว้างไว้ด้านบนเพื่อดูดกลืนแสงพลังงานสูงอย่างมีประสิทธิภาพ และวางเซลล์ที่มีแถบพลังงานแคบไว้ด้านล่างเพื่อเก็บเกี่ยวแสงพลังงานต่ำที่เหลืออยู่ โครงสร้างที่ได้รับความสนใจมากที่สุดคือ

เพอรอฟสไกต์บนซิลิคอน (Perovskite-on-Silicon) ซึ่งเป็นการผสมผสานจุดแข็งของทั้งสองเทคโนโลยีเข้าด้วยกัน

หลักการและประสิทธิภาพของเซลล์แทนเดม
การซ้อนชั้นวัสดุดูดกลืนแสงที่มีแถบพลังงานต่างกันเป็นการตอบโจทย์กลไกการสูญเสียหลักของขีดจำกัดช็อกลีย์-ไควส์เซอร์โดยตรง เซลล์ด้านบนช่วยลดการสูญเสียจากความร้อน และเซลล์ด้านล่างช่วยลดการสูญเสียจากการไม่ดูดกลืนแสง โครงสร้างแบบแทนเดมมีขีดจำกัดประสิทธิภาพทางทฤษฎีสูงกว่าเซลล์แบบรอยต่อเดี่ยวอย่างมาก โดยอาจสูงถึง 68.7% หากมีจำนวนชั้นเป็นอนันต์ และมีขีดจำกัดในทางปฏิบัติสำหรับโครงสร้างสองรอยต่ออยู่ที่ประมาณ 41-46%

โครงสร้างเพอรอฟสไกต์บนซิลิคอนนั้นเหมาะสมอย่างยิ่ง เนื่องจากแถบพลังงานของซิลิคอนที่ $1.12$ eV เหมาะสำหรับเซลล์ด้านล่าง ในขณะที่แถบพลังงานของเพอรอฟสไกต์สามารถปรับเปลี่ยนได้ง่ายให้อยู่ในช่วงที่เหมาะสมที่สุดสำหรับเซลล์ด้านบนคือ $1.67$ ถึง $1.75$ eV นอกจากนี้ กระบวนการผลิตเพอรอฟสไกต์แบบสารละลายที่อุณหภูมิต่ำยังช่วยให้สามารถเคลือบลงบนเซลล์ซิลิคอนที่ผลิตเสร็จแล้วได้โดยไม่สร้างความเสียหาย ด้วยเหตุนี้ เทคโนโลยีนี้จึงสร้างสถิติประสิทธิภาพได้อย่างน่าทึ่ง โดยสถิติสูงสุดที่ได้รับการรับรองจาก NREL (National Renewable Energy Laboratory) คือ 34.85% ซึ่งทำได้โดยบริษัท LONGi Solar ซึ่งสูงกว่าประสิทธิภาพของเซลล์แบบรอยต่อเดี่ยวทุกชนิดอย่างชัดเจน ความสำคัญของเทคโนโลยีนี้สะท้อนให้เห็นจากการที่ NREL ได้สร้างหมวดหมู่ใหม่ "Hybrid Tandems" ขึ้นมาโดยเฉพาะในแผนภูมิประสิทธิภาพ

การพัฒนาสู่เชิงพาณิชย์และความทนทาน
บริษัทอย่าง Oxford PV เป็นผู้บุกเบิกในการนำเทคโนโลยีนี้ออกสู่ตลาด โดยได้เริ่มจัดส่งผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์ครั้งแรกในเดือนกันยายน 2024 ด้วยโมดูลที่มีประสิทธิภาพเริ่มต้น 24.5% ประเด็นสำคัญสำหรับตลาดคือความน่าเชื่อถือทางการเงิน (Bankability) ซึ่ง Oxford PV ได้ให้การรับประกันผลิตภัณฑ์นาน 10 ปี และตั้งเป้าจะขยายเป็น 20 ปีภายในปี 2026 นอกจากนี้ บริษัทอื่นๆ เช่น GCL Technology ก็ประสบความสำเร็จในการผ่านการทดสอบความน่าเชื่อถือตามมาตรฐานอุตสาหกรรม (IEC 61215) ซึ่งบ่งชี้ว่าอัตราการเสื่อมสภาพของโมดูลแทนเดมกำลังเข้าใกล้มาตรฐานของโมดูลซิลิคอนทั่วไป

ความท้าทายทางเทคนิค
แม้จะมีศักยภาพสูง แต่เทคโนโลยีแทนเดมยังมีความท้าทายที่ต้องเผชิญ เช่น ความยากในการเคลือบชั้นเพอรอฟสไกต์คุณภาพสูงลงบนพื้นผิวของเซลล์ซิลิคอนที่มีลักษณะเป็นพีระมิดเพื่อดักจับแสง การสูญเสียจากการดูดกลืนและการสะท้อนแสงที่ไม่พึงประสงค์ในชั้นเชื่อมต่อระหว่างเซลล์บนและเซลล์ล่าง และข้อจำกัดในการจับคู่กระแสไฟฟ้า (Current matching) ในโครงสร้างแบบสองขั้ว (Two-terminal) ซึ่งกระแสที่ผลิตจากเซลล์ทั้งสองจะต้องเท่ากันเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุด

กลยุทธ์การนำเซลล์เพอรอฟสไกต์บนซิลิคอนออกสู่ตลาดเป็นตัวอย่างที่ยอดเยี่ยมของการ "ต่อยอด" ทางเทคโนโลยี แทนที่จะพยายามสร้างอุตสาหกรรมใหม่ทั้งหมดเพื่อแข่งขันกับซิลิคอนซึ่งเป็นยักษ์ใหญ่ แนวทางนี้กลับนำโครงสร้างพื้นฐานของอุตสาหกรรมซิลิคอนที่มีอยู่แล้วมูลค่าหลายล้านล้านดอลลาร์มาใช้ประโยชน์ โดยเปลี่ยนคู่แข่งที่อาจเกิดขึ้นให้กลายเป็นพันธมิตร วิธีนี้ช่วยลดอุปสรรคในการเข้าสู่ตลาดลงอย่างมากและเร่งระยะเวลาในการนำเทคโนโลยีไปใช้งานจริง ผู้ผลิตเซลล์ซิลิคอนที่มีอยู่แล้วสามารถใช้ความเชี่ยวชาญและห่วงโซ่อุปทานเดิมของตนได้ โดยเพียงแค่เพิ่มขั้นตอนการเคลือบและประกอบชั้นเพอรอฟสไกต์เข้าไปเท่านั้น สิ่งนี้ช่วยลดความเสี่ยงในการลงทุนได้อย่างมหาศาล เพราะไม่ใช่การเดิมพันกับเทคโนโลยีใหม่ทั้งหมด แต่เป็นการยกระดับสายผลิตภัณฑ์เดิมที่ทำกำไรอยู่แล้ว ความก้าวหน้าอย่างรวดเร็วในเชิงพาณิชย์จึงไม่ได้มาจากประสิทธิภาพที่สูงเพียงอย่างเดียว แต่มาจากการผสมผสานอย่างชาญฉลาดเข้ากับระบบนิเวศอุตสาหกรรมที่มีอยู่เดิม

เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดอินทรีย์: โซลูชันที่ยืดหยุ่นและพิมพ์ได้สำหรับตลาดเฉพาะกลุ่ม
เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดอินทรีย์ (Organic Photovoltaics - OPVs) ไม่ได้ถูกวางตำแหน่งให้เป็นคู่แข่งโดยตรงกับซิลิคอนในตลาดขนาดใหญ่ แต่เป็นเทคโนโลยีที่จะเข้ามาสร้างตลาดใหม่ๆ ด้วยคุณสมบัติเฉพาะตัวที่เกิดจากการใช้วัสดุคาร์บอนเป็นหลัก ซึ่งได้แก่ ความยืดหยุ่นสูง น้ำหนักเบา ความโปร่งแสง และความเข้ากันได้กับกระบวนการผลิตต้นทุนต่ำและปริมาณสูงอย่างการพิมพ์แบบม้วนต่อม้วน

คุณสมบัติเฉพาะตัวและข้อได้เปรียบ
OPVs ใช้พอลิเมอร์หรือโมเลกุลขนาดเล็กที่มีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบเป็นชั้นดูดกลืนแสง ทำให้มีความยืดหยุ่นทางกลสูงและน้ำหนักเบา สามารถผลิตให้กึ่งโปร่งใสได้ เหมาะสำหรับการติดตั้งบนหน้าต่างหรือผนังอาคาร จุดเด่นที่สุดคือศักยภาพในการผลิตต้นทุนต่ำผ่านเทคนิคการพิมพ์แบบม้วนต่อม้วน (Roll-to-roll - R2R) ในสภาวะแวดล้อมปกติ ซึ่งช่วยลดการลงทุนในเครื่องจักรและพลังงานที่ใช้ในการผลิตลงอย่างมากเมื่อเทียบกับซิลิคอน

ประสิทธิภาพและอายุการใช้งาน
ในอดีต ประสิทธิภาพของ OPVs ในการใช้งานกลางแจ้งยังตามหลังซิลิคอน โดยสถิติในห้องปฏิบัติการปัจจุบันสูงกว่า 18% แต่โมดูลเชิงพาณิชย์ยังมีประสิทธิภาพต่ำกว่านั้น และยังมีความท้าทายด้านเสถียรภาพ โดยมีอายุการใช้งานประมาณ 5-8 ปี เนื่องจากการเสื่อมสภาพจากออกซิเจน น้ำ และแสงยูวี

ตลาดเฉพาะกลุ่มในอาคาร: จุดแข็งที่แตกต่าง
อย่างไรก็ตาม OPVs มีความโดดเด่นอย่างยิ่งในการทำงานในสภาวะแสงน้อยและแสงประดิษฐ์ภายในอาคาร เหตุผลทางวิทยาศาสตร์คือ สเปกตรัมการดูดกลืนแสงของวัสดุอินทรีย์สามารถปรับเปลี่ยนทางเคมีเพื่อให้เข้ากับสเปกตรัมการปล่อยแสงที่แคบของแหล่งกำเนิดแสงประดิษฐ์ เช่น หลอด LED และฟลูออเรสเซนต์ ได้อย่างสมบูรณ์แบบ ซึ่งแตกต่างจากซิลิคอนที่มีแถบพลังงานเหมาะกับสเปกตรัมแสงอาทิตย์ที่กว้างและทำงานได้ไม่ดีในอาคาร ผลงานที่ทำลายสถิติได้แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพของ OPVs ที่สูงถึง 26.1% ภายใต้แสง LED ที่ความสว่าง 1000 ลักซ์ ซึ่งสูงกว่าประสิทธิภาพของซิลิคอนอสัณฐาน (Amorphous silicon) ถึงสามเท่า และยังแสดงให้เห็นถึงเสถียรภาพที่ยอดเยี่ยมตลอดการทดสอบ 1000 ชั่วโมง

ความสำเร็จของ OPVs ในตลาดภายในอาคารอาจเปลี่ยนแปลงปรัชญาการออกแบบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคและเชิงพาณิชย์ไปโดยสิ้นเชิง แทนที่จะออกแบบอุปกรณ์ที่ต้องเสียบปลั๊กหรือเปลี่ยนแบตเตอรี่ วิศวกรสามารถเริ่มออกแบบอุปกรณ์ที่ "เก็บเกี่ยวพลังงานได้ในตัว" ซึ่งได้รับพลังงานอย่างต่อเนื่องจากแสงโดยรอบ สิ่งนี้จะนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงกระบวนทัศน์ในเรื่องความเป็นอิสระของอุปกรณ์และความยั่งยืน อุปกรณ์ IoT หลายพันล้านชิ้น อุปกรณ์ในบ้านอัจฉริยะ หรือแม้แต่อุปกรณ์สวมใส่บางชนิดในอนาคตอาจไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนแบตเตอรี่หรือใช้สายชาร์จอีกต่อไป ซึ่งช่วยลดขยะอิเล็กทรอนิกส์และเปิดโอกาสใหม่ๆ สำหรับเครือข่ายเซ็นเซอร์แบบ "ติดตั้งแล้วลืม" ในอาคารอัจฉริยะ ดังนั้น OPVs จึงไม่ใช่แค่แผงโซลาร์เซลล์รูปแบบใหม่ แต่เป็นแพลตฟอร์มการจ่ายพลังงานแบบใหม่

ควอนตัมดอท: การสำรวจขอบเขตควอนตัมสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ยุคที่สาม
เซลล์แสงอาทิตย์ควอนตัมดอท (Quantum Dot Solar Cells - QDSCs) เป็นเทคโนโลยีที่ล้ำสมัยที่สุดในบรรดาวัสดุใหม่ทั้งหมด หัวใจของเทคโนโลยีนี้คือปรากฏการณ์ การกักขังในระดับควอนตัม (Quantum confinement) ซึ่งทำให้อนุภาคนาโนของสารกึ่งตัวนำเหล่านี้มีคุณสมบัติพิเศษคือ แถบพลังงานที่สามารถปรับเปลี่ยนได้ตามขนาดของอนุภาค ซึ่งเป็นการควบคุมคุณสมบัติของวัสดุในระดับที่ไม่เคยมีมาก่อน

ฟิสิกส์ของควอนตัมดอทและศักยภาพในการสร้างมัลติเพิลเอกซิตอน (MEG)
ควอนตัมดอทคืออนุภาคสารกึ่งตัวนำที่มีขนาดเล็กกว่ารัศมีของเอกซิตอนบอร์ (Exciton Bohr radius) ของวัสดุนั้นๆ ทำให้เกิดผลกระทบทางควอนตัม คุณสมบัติที่สำคัญที่สุดคือแถบพลังงานของมันไม่ได้มีค่าคงที่ แต่สามารถปรับได้อย่างแม่นยำโดยการเปลี่ยนขนาดอนุภาค ควอนตัมดอทขนาดเล็กจะมีแถบพลังงานกว้างกว่าและดูดกลืนแสงสีน้ำเงิน ในขณะที่ควอนตัมดอทขนาดใหญ่จะมีแถบพลังงานแคบกว่าและดูดกลืนแสงสีแดง

ศักยภาพที่น่าตื่นเต้นที่สุดของ QDSCs คือปรากฏการณ์ การสร้างมัลติเพิลเอกซิตอน (Multiple Exciton Generation - MEG) ซึ่งเป็นกระบวนการที่โฟตอนพลังงานสูงเพียงตัวเดียว (โดยทั่วไปมีพลังงานมากกว่าสองเท่าของ $E_g$) สามารถสร้างเอกซิตอน (คู่ของอิเล็กตรอนและโฮล) ได้มากกว่าหนึ่งคู่ กระบวนการนี้เป็นการเปลี่ยนพลังงานความร้อนที่เคยสูญเสียไปให้กลายเป็นพาหะนำไฟฟ้าเพิ่มเติม ซึ่งในทางทฤษฎีสามารถเพิ่มประสิทธิภาพการแปลงพลังงานสูงสุดได้ถึง 66% มีการทดลองที่พิสูจน์แนวคิดนี้ได้สำเร็จ โดย QDSCs สามารถสร้างประสิทธิภาพควอนตัมภายนอก (External Quantum Efficiency - EQE) ได้สูงกว่า 100% (มีรายงานค่าสูงสุดที่ 114%) ซึ่งเป็นการยืนยันอย่างชัดเจนว่าสามารถสร้างและเก็บเกี่ยวพาหะนำไฟฟ้าหลายตัวจากโฟตอนเพียงตัวเดียวได้จริง

อุปสรรคและความท้าทายในทางปฏิบัติ
แม้จะมีการสาธิตที่น่าทึ่ง แต่ผลกระทบของ MEG ต่อประสิทธิภาพการแปลงพลังงานของอุปกรณ์โดยรวมยังคงต่ำมาก ปัจจัยจำกัดที่สำคัญที่สุดคือ

ช่องทางการคลายตัวที่แข่งขันกัน เอกซิตอนหลายคู่ที่ถูกสร้างขึ้นมานั้นมีอายุสั้นมากในระดับพิโควินาที (picosecond) ก่อนที่จะสูญเสียไปอย่างรวดเร็วผ่านกระบวนการรวมตัวแบบออเจอร์ (Auger recombination) ซึ่งเป็นกระบวนการที่ไม่แผ่รังสี โดยเอกซิตอนคู่หนึ่งจะรวมตัวกันและถ่ายทอดพลังงานให้กับอีกคู่หนึ่ง แทนที่ทั้งสองคู่จะถูกสกัดออกมาเป็นกระแสไฟฟ้า นอกจากนี้ ยังมีความท้าทายอื่นๆ เช่น ค่าพลังงานโฟตอนขั้นต่ำที่สูงในการเริ่มต้นกระบวนการ MEG และประสิทธิภาพของ MEG ที่เพิ่มขึ้นอย่างช้าๆ ตามพลังงานแทนที่จะเป็นแบบขั้นบันได ซึ่งจำกัดประสิทธิผลภายใต้สเปกตรัมแสงอาทิตย์

การวิจัยควอนตัมดอทเป็นพรมแดนที่มาตรศาสตร์วัสดุ ฟิสิกส์ควอนตัม และวิศวกรรมอุปกรณ์มาบรรจบกัน ความท้าทายเหล่านี้มีความเป็นพื้นฐานอย่างมากจนการแก้ปัญหาสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์อาจส่งผลกระทบในวงกว้าง ทำให้เกิดการค้นพบครั้งใหม่ในเทคโนโลยีอื่นๆ เช่น จอแสดงผล LED, ควอนตัมคอมพิวเตอร์ และการถ่ายภาพทางการแพทย์ ซึ่งล้วนต้องอาศัยการควบคุมพฤติกรรมของเอกซิตอนในโครงสร้างนาโนเช่นเดียวกัน การลงทุนในการวิจัยเซลล์แสงอาทิตย์ควอนตัมดอทจึงเปรียบเสมือนการสนับสนุนการวิจัยและพัฒนาพื้นฐานสำหรับแพลตฟอร์มเทคโนโลยีควอนตัมยุคใหม่ทั้งหมด

การวิเคราะห์เปรียบเทียบเทคโนโลยีฟิล์มบางที่ etablished แล้ว: CdTe และ CIGS
เพื่อให้เห็นภาพรวมของตลาดที่สมบูรณ์สำหรับวัสดุอุบัติใหม่ การวิเคราะห์เทคโนโลยีฟิล์มบาง (Thin-film) ที่มีการใช้งานเชิงพาณิชย์อย่างแพร่หลายแล้วสองชนิด คือ แคดเมียมเทลลูไรด์ (Cadmium Telluride - CdTe) และ คอปเปอร์อินเดียมแกลเลียมเซเลไนด์ (Copper Indium Gallium Selenide - CIGS) เป็นสิ่งจำเป็น

แคดเมียมเทลลูไรด์ (CdTe): แชมป์ด้านการผลิต
CdTe ซึ่งนำโดยบริษัท First Solar เป็นตัวอย่างของความเป็นเลิศด้านการผลิต แม้จะไม่ได้มีประสิทธิภาพสูงสุดในห้องปฏิบัติการ แต่การปรับปรุงกระบวนการผลิตอย่างต่อเนื่องเพื่อลดต้นทุน เพิ่มปริมาณการผลิต และลดพลังงานที่ใช้ในการผลิต (Embodied energy) ได้ทำให้ CdTe กลายเป็นผู้นำในตลาดเซลล์แสงอาทิตย์ขนาดใหญ่ (Utility-scale) CdTe ครองส่วนแบ่งตลาดมากกว่า 5% ทั่วโลก และมากกว่า 30% ในตลาดขนาดใหญ่ของสหรัฐอเมริกา ข้อได้เปรียบหลักของ CdTe คือแถบพลังงานที่เกือบจะเหมาะสมที่สุด (ประมาณ

$1.45$ eV) สัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงสูง และกระบวนการผลิตแบบเสาหิน (Monolithic) ที่เรียบง่ายและต้นทุนต่ำ ส่งผลให้มีพลังงานที่ใช้ในการผลิตต่ำกว่าโมดูลซิลิคอนผลึกเดี่ยวประมาณ 35% และมีระยะเวลาคืนทุนพลังงานที่สั้นกว่า สถิติประสิทธิภาพในห้องปฏิบัติการอยู่ที่ 22.1% และโมดูลที่ผลิตในเชิงพาณิชย์มีประสิทธิภาพเฉลี่ยสูงกว่า 18-19%

คอปเปอร์อินเดียมแกลเลียมเซเลไนด์ (CIGS): ผู้ท้าชิงที่เผชิญอุปสรรค
ในทางตรงกันข้าม CIGS เป็นเทคโนโลยีฟิล์มบางที่มีศักยภาพด้านประสิทธิภาพสูงและสามารถผลิตบนพื้นผิวที่ยืดหยุ่นได้ อย่างไรก็ตาม การเติบโตของ CIGS ถูกขัดขวางมาโดยตลอดจากความท้าทายด้านเศรษฐศาสตร์และโลจิสติกส์ ปัจจัยจำกัดที่สำคัญคือต้นทุนการผลิตที่สูง เนื่องจากต้องใช้กระบวนการที่ซับซ้อน เช่น การระเหยร่วม (Co-evaporation) ในสุญญากาศ และต้องการการควบคุมองค์ประกอบของธาตุทั้งสี่ชนิดอย่างแม่นยำ นอกจากนี้ การพึ่งพาวัสดุหายากและมีราคาผันผวนอย่างอินเดียมและแกลเลียมยังสร้างความเปราะบางทางเศรษฐกิจ ทำให้ CIGS ตกอยู่ในสถานะที่ถูกบีบระหว่างเทคโนโลยีต้นทุนต่ำ (ซิลิคอน, CdTe) และเทคโนโลยีอุบัติใหม่ที่มีประสิทธิภาพสูงกว่า (เพอรอฟสไกต์แทนเดม) ซึ่งทำให้ยากต่อการสร้างความได้เปรียบในการแข่งขันที่ชัดเจน

ชะตากรรมที่แตกต่างกันของ CdTe และ CIGS ให้บทเรียนที่สำคัญสำหรับวัสดุเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดใหม่ทั้งหมด นั่นคือ ความสำเร็จในเชิงพาณิชย์ในระยะยาวไม่ได้ถูกกำหนดโดยประสิทธิภาพสูงสุดในห้องปฏิบัติการเพียงอย่างเดียว แต่ขึ้นอยู่กับความสามารถของเทคโนโลยีในการสร้างระบบนิเวศการผลิตที่สามารถขยายขนาดได้ มีต้นทุนที่แข่งขันได้ และมีความยั่งยืน ความสำเร็จของ CdTe มีรากฐานมาจากความเรียบง่ายในการผลิต ซึ่ง First Solar ได้ปรับปรุงอย่างไม่หยุดยั้งมานานหลายทศวรรษ ในขณะที่ความซับซ้อนของ CIGS ได้ขัดขวางไม่ให้สามารถขยายขนาดการผลิตได้รวดเร็วเท่าที่ควร บทเรียนนี้ชี้ให้เห็นว่าสำหรับวัสดุใหม่อย่างเพอรอฟสไกต์ การบรรลุสถิติประสิทธิภาพในห้องปฏิบัติการเป็นเพียงก้าวแรก ผู้ชนะที่แท้จริงคือผู้ที่สามารถพัฒนากระบวนการผลิตที่เรียบง่าย แข็งแกร่ง และขยายขนาดได้ โดยใช้วัสดุที่มีอยู่มากมายและราคาถูก

สรุป: สังเคราะห์เส้นทางสู่อนาคตของการแปลงพลังงานแสงอาทิตย์
การวิเคราะห์วัสดุอุบัติใหม่สำหรับเซลล์แสงอาทิตย์เผยให้เห็นภาพอนาคตที่ไม่ได้ถูกครอบงำโดยเทคโนโลยีเพียงหนึ่งเดียว แต่เป็นระบบนิเวศที่หลากหลายซึ่งแต่ละเทคโนโลยีมีบทบาทเฉพาะของตนเอง แม้ว่าซิลิคอนจะยังคงเป็นรากฐานของอุตสาหกรรม แต่ขีดจำกัดทางฟิสิกส์และภาระในการผลิตได้เปิดประตูสู่ยุคใหม่ของนวัตกรรม

อนาคตระยะใกล้ (1-5 ปี): เพอรอฟสไกต์บนซิลิคอนแทนเดม
เทคโนโลยีนี้พร้อมที่จะสร้างผลกระทบที่สำคัญที่สุดในระยะใกล้ ความสามารถในการเพิ่มประสิทธิภาพของโครงสร้างพื้นฐานซิลิคอนที่มีอยู่แล้วอย่างก้าวกระโดด ทำให้มันเป็นการ "อัปเกรด" เชิงวิวัฒนาการมากกว่าการ "แทนที่" ที่ต้องสร้างใหม่ทั้งหมด ซึ่งช่วยเร่งเส้นทางสู่ตลาดให้สั้นลงอย่างมาก ในขณะที่เพอรอฟสไกต์บนซิลิคอนแทนเดมได้สร้างสถิติประสิทธิภาพที่ 34.85% แล้ว ความท้าทายหลักในตอนนี้คือการพิสูจน์ความน่าเชื่อถือในระยะยาวเพื่อสร้างความเชื่อมั่นทางการเงินและขยายกำลังการผลิต

ปัจจุบันที่หลากหลาย (ปัจจุบัน - 10 ปี): OPV และ CdTe
เทคโนโลยีเหล่านี้ประสบความสำเร็จในตลาดเฉพาะของตนเอง CdTe จะยังคงเป็นกำลังสำคัญในตลาดขนาดใหญ่โดยอาศัยต้นทุนการผลิตไฟฟ้าต่อหน่วย (LCOE) ที่ต่ำ ในขณะเดียวกัน OPV จะยังคงสร้างและขยายตลาดใหม่ๆ ในกลุ่มอุปกรณ์ IoT และอิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค ซึ่งคุณสมบัติด้านรูปทรงและความสามารถในการทำงานในที่แสงน้อยเป็นสิ่งสำคัญ และเป็นจุดที่ซิลิคอนไม่สามารถแข่งขันได้ แม้ประสิทธิภาพกลางแจ้งของ OPV จะอยู่ที่ประมาณ 18% แต่ประสิทธิภาพในอาคารที่สูงถึง 26.1% ได้เปิดพรมแดนใหม่ในการใช้งาน

พรมแดนระยะยาว (>10 ปี): ควอนตัมดอทและเพอรอฟสไกต์บริสุทธิ์
นี่คือกลุ่มเทคโนโลยีที่มีศักยภาพในการเปลี่ยนแปลงสูงสุด แต่ก็ยังเผชิญกับอุปสรรคทางวิทยาศาสตร์ที่ใหญ่ที่สุด สำหรับ QDSCs ความท้าทายคือการแก้ปัญหาพื้นฐานของการรวมตัวแบบออเจอร์เพื่อปลดล็อกศักยภาพของ MEG อย่างเต็มที่ สำหรับโมดูลเพอรอฟสไกต์บริสุทธิ์ (ทั้งแบบรอยต่อเดี่ยวและแบบแทนเดม) ความท้าทายคือการบรรลุเสถียรภาพและการขยายขนาดการผลิตให้เทียบเท่าซิลิคอนโดยไม่มีซิลิคอนเป็น "ตาข่ายนิรภัย" ซึ่งจะปลดล็อกศักยภาพด้านต้นทุนต่ำของวัสดุนี้ได้อย่างสมบูรณ์

Tags :

Miss Kaewthip

Sharing management perspectives and strategies from direct experience as a Managing Director, with drive and determination inspired by Confucian philosophy.