การจำแนกประเภทแบตเตอรี่โซลาร์เซลล์ - แบตเตอรี่โซลาร์เซลล์รุ่นที่สาม

การจำแนกประเภทแบตเตอรี่โซลาร์เซลล์ - แบตเตอรี่โซลาร์เซลล์รุ่นที่สาม

1. แบตเตอรี่โซลาร์เซลล์แบบย้อมสี

DSSC เป็นประเภทของแบตเตอรี่ที่เลียนแบบหลักการสังเคราะห์ด้วยแสงของพืชสีเขียวเพื่อเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์เป็นไฟฟ้า แบตเตอรี่ DSSC แบบของเหลวประกอบด้วย photoanode, อิเล็กโทรไลต์ของเหลว และ photocathode เป็นหลัก Photoanode เตรียมชั้นฟิล์มเซมิคอนดักเตอร์รูพรุนบนวัสดุฐานนำไฟฟ้าและเคลือบด้วยชั้นของสารย้อมสีที่ไวต่อแสง ส่วน photocathode เตรียมชั้นของวัสดุเร่งปฏิกิริยาที่มีแพลตินัมหรือคาร์บอนบนวัสดุฐานนำไฟฟ้า ใน photoanode วัสดุอิเล็กโทรดหลักคือ TiO2 เมื่อชั้นของสารย้อมสีที่มีคุณสมบัติการดูดซับแสงดีถูกเคลือบบนพื้นผิวของ TiO2 สารย้อมสีในสถานะพื้นฐานจะดูดซับแสงและเข้าสู่สถานะตื่นเต้น จากนั้นสารย้อมสีในสถานะตื่นเต้นจะฉีดอิเล็กตรอนไปยังแถบการนำของ TiO2 การแยกตัวของตัวพาหะเสร็จสมบูรณ์และส่งผ่านไปยังอิเล็กโทรดตรงข้ามผ่านวงจรภายนอก อิเล็กโทรไลต์ 3- จะได้รับอิเล็กตรอนที่อิเล็กโทรดตรงข้ามและถูกรีดิวซ์เป็น I- และสารย้อมสีที่ถูกออกซิไดซ์หลังจากฉีดอิเล็กตรอนจะกลับสู่สถานะพื้นฐานโดย I- ซึ่ง I- เองจะถูกออกซิไดซ์เป็น I3- ทำให้วงจรทั้งหมดสมบูรณ์
DSSC มีข้อดีคือการสังเคราะห์ง่ายและมีแหล่งวัสดุหลากหลาย แต่ส่วนใหญ่ใช้สารอิเล็กโทรไลต์ของเหลวซึ่งทำให้เกิดการกัดกร่อนของอิเล็กโทรด การรั่วไหลของอิเล็กโทรไลต์ และความเสถียรของแบตเตอรี่ต่ำ เพื่อแก้ไขปัญหาดังกล่าว นักวิจัยได้พัฒนาสารไวต่อแสงอินทรีย์บริสุทธิ์และ DSSC แบบสถานะของแข็ง สำหรับ DSSC สาเหตุที่ประสิทธิภาพยากจะพัฒนาได้ดีคือสารย้อมสีที่มีอยู่ไม่สามารถใช้โฟตอนอินฟราเรดได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้ประสิทธิภาพการดูดซับแสงต่ำ ดังนั้นงานวิจัยในอนาคตจะมุ่งเน้นไปที่การพัฒนาสารย้อมสีที่มีประสิทธิภาพ เสถียร ราคาถูก และไม่ใช้รูทีเนียมที่ตอบสนองต่อแสงใกล้อินฟราเรด นอกจากนี้ การปรับปรุงความสามารถในการขนส่งอิเล็กตรอนภายในแบตเตอรี่ การเตรียมอิเล็กโทรไลต์สถานะของแข็งที่มีประสิทธิภาพและทนทาน การค้นหาอิเล็กโทรดตรงข้ามที่ไม่ใช้แพลตินัมและราคาถูก และการปรับปรุงอายุการใช้งานโดยรวมของแบตเตอรี่ก็มีความสำคัญอย่างมากต่อการส่งเสริม DSSC

2. แบตเตอรี่โซลาร์เซลล์เพอรอฟสไกต์

การเติบโตของ PSC มาจากการพัฒนา DSSC โดยความแตกต่างคือ PSC ใช้วัสดุไฮบริดอินทรีย์/อนินทรีย์ชนิดเพอรอฟสไกต์แทนโมเลกุลย้อมสีอินทรีย์เป็นวัสดุดูดซับแสง PSC ประกอบด้วยชั้นนาโนคริสตัลหนาแน่น ชั้นแอคทีฟเพอรอฟสไกต์ ABX3 (X=Cl-, Br-, I-) ชั้นขนส่งโฮล และอิเล็กโทรดตรงข้าม ชั้นดูดซับแสง ABX3 มีโครงสร้างสามมิติแบบทั่วไป A แทนไอออนแอมีนอินทรีย์ (CH3NH3+) ที่อยู่ตรงกลางของรูปคูบอกตาเฮดรอน B แทนไอออนโลหะที่สามารถประสานสร้างรูปแปดหน้า เช่น Pb+, Nb+, Ti4+, Fe3+ เป็นต้น X แทนไอออนลบที่ประสานกับ B เพื่อสร้างรูปแปดหน้า โดยทั่วไปคือ Cl-, Br-, I- และไอออนฮาโลเจนอื่น ๆ รูปแปดหน้าฮาโลเจนในวัสดุเพอรอฟสไกต์ชนิดนี้เชื่อมต่อกันเป็นโครงข่ายสามมิติที่มั่นคง วิธีการเตรียมวัสดุเพอรอฟสไกต์หลักได้แก่ วิธีสารละลาย วิธีระเหยร่วม วิธีสารละลายช่วยด้วยก๊าซ และวิธีแลกเปลี่ยนภายในโมเลกุล
ตั้งแต่มีการแนะนำ PSC ประสิทธิภาพการแปลงพลังงานแสงเป็นไฟฟ้าเพิ่มขึ้นอย่างเกือบเส้นตรง แสดงถึงศักยภาพสูงของ  แบตเตอรี่โซลาร์เซลล์ แม้ PSC จะมีประสิทธิภาพสูง แต่ความเสถียรต่ำมาก ด้วยเหตุนี้ นักวิทยาศาสตร์จึงหาวิธีแก้ปัญหาความเสถียรหลายวิธี พื้นผิวของอุปกรณ์ PSC ถูกเคลือบด้วยชั้นโพลิเมอร์ไวแสงฟลูออรีนโดยการพอลิเมอไรเซชันด้วยรังสีที่อุณหภูมิห้อง ชั้นเคลือบมัลติฟังก์ชันนี้ทำให้อุปกรณ์ PSC ด้านหน้ามีคุณสมบัติทำความสะอาดตัวเองและเรืองแสง และทำให้อุปกรณ์ PSC ด้านหลังมีคุณสมบัติกันน้ำสูงมาก จึงไม่ให้พื้นผิวอุปกรณ์ PSC ถูกกระทบจากไอน้ำในอากาศ ภายใต้แสงที่มองเห็น โพลิเมอร์ไวแสงจะปล่อยแสง UV ใหม่ ทำให้ PSC มีประสิทธิภาพสูงถึง 19% ภายใต้แสงมาตรฐาน การทดสอบเป็นเวลา 6 เดือนในสภาพแวดล้อมอากาศและผลกระทบทางเคมีแสงแสดงให้เห็นว่าคุณสมบัติไฟฟ้าของ PSC ยังคงดีในทุกด้าน แสดงให้เห็นว่าประสิทธิภาพของแบตเตอรี่โซลาร์เซลล์ชนิดนี้กำลังพัฒนาอย่างมั่นคง ดังนั้นงานในอนาคตควรกำหนดมาตรฐานการทำงานของแบตเตอรี่ชนิดนี้ เช่น ข้อกำหนดความเสถียร มาตรฐานการทดสอบความชรา เป็นต้น ด้วยความก้าวหน้าทางเทคโนโลยี PSC อาจก้าวขึ้นมาเหนือแบตเตอรี่โซลาร์เซลล์ฟิล์มบางและกลายเป็นดาวรุ่งในอุตสาหกรรมโฟโตโวลตาอิก

3. แบตเตอรี่โซลาร์เซลล์จุดควอนตัม

จุดควอนตัมเป็นวัสดุนาโนมิติศูนย์ หมายความว่าทั้งสามมิติของจุดควอนตัมมีขนาดเล็กกว่าความยาวคลื่นเดอบรอยของเอ็กซิทอนในวัสดุแบบปริมาตร การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนภายในในทุกทิศทางถูกจำกัดอย่างมาก หรือที่เรียกว่าปรากฏการณ์การกักขังควอนตัม เมื่อเทียบกับวัสดุแบบปริมาตรแบบดั้งเดิม ข้อดีของจุดควอนตัมคือผ่านปรากฏการณ์อุโมงค์เรโซแนนซ์ สามารถเพิ่มอัตราการเก็บตัวของตัวพาหะที่เกิดจากแสงในแบตเตอรี่ ทำให้กระแสไฟฟ้าเพิ่มขึ้น โดยการปรับขนาดและรูปร่างของจุดควอนตัม จะปรับระดับพลังงานของจุดควอนตัมและการจับคู่กับสเปกตรัมแสงอาทิตย์เพื่อเพิ่มอัตราการดูดซับแสง จุดควอนตัมบางชนิด (เช่น PbSe) สามารถดูดซับโฟตอนพลังงานสูงหนึ่งโฟตอนเพื่อสร้างคู่ไฟฟ้า-รูหลายคู่ หรือที่เรียกว่าปรากฏการณ์มัลติเอ็กซิทอน ประสิทธิภาพทฤษฎีของ QDSC แบบจุดเชื่อมต่อเดียวสามารถถึง 44% ซึ่งสูงกว่าขีดจำกัด Shockley-Queisser ของแบตเตอรี่โซลาร์เซลล์ซิลิคอนอย่างมาก
ตั้งแต่เริ่มต้น จุดควอนตัมแสดงข้อได้เปรียบเฉพาะตัว เช่น แหล่งวัสดุหลากหลาย ช่องว่างพลังงานปรับได้ และประสิทธิภาพการแปลงพลังงานแสงสูง ซึ่งบ่งชี้ว่า QDSC มีศักยภาพสูง อย่างไรก็ตาม เนื่องจากแบตเตอรี่ชนิดนี้เกี่ยวข้องกับขนาดระดับไมโคร กระบวนการผลิตและข้อกำหนดจึงสูง และหลักการขนส่งอิเล็กตรอนภายในยังอยู่ในขั้นตอนการวิจัย ทำให้ประสิทธิภาพต่ำกว่าแบตเตอรี่ชนิดอื่น แต่แบตเตอรี่ชนิดนี้มีศักยภาพที่ไม่มีใครเทียบได้ งานวิจัยปัจจุบันสำหรับแบตเตอรี่โซลาร์เซลล์ชนิดนี้มุ่งเน้นที่การเลือกวัสดุ การปรับแต่งอุปกรณ์ และกลไกการขนส่งอิเล็กตรอนภายในเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพและความเสถียรของ QDSC

หลังจากการพัฒนาและปรับปรุงมากกว่าครึ่งศตวรรษ แบตเตอรี่โซลาร์เซลล์ซิลิคอนผลึกมีประสิทธิภาพและความเสถียรสูง ในอนาคตอันใกล้นี้ แบตเตอรี่โซลาร์เซลล์ซิลิคอนผลึกจะยังคงครองตลาดอุตสาหกรรมโฟโตโวลตาอิก งานวิจัยในอนาคตจะมุ่งเน้นที่การทำให้กระบวนการผลิตแบตเตอรี่โซลาร์เซลล์ง่ายขึ้นและลดต้นทุนการผลิตเพื่อส่งเสริมการใช้แบตเตอรี่ซิลิคอนผลึกอย่างกว้างขวาง ในขณะเดียวกัน นักวิทยาศาสตร์ยังได้พัฒนาแบตเตอรี่โซลาร์เซลล์ฟิล์มบางหลายชนิด เช่น GaAs, CdTe, CTGS เป็นต้น เมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ซิลิคอนผลึก ต้นทุนการผลิตของแบตเตอรี่ฟิล์มบางลดลงมาก และประสิทธิภาพก็ใกล้เคียงกับแบตเตอรี่ซิลิคอนผลึก อย่างไรก็ตาม แบตเตอรี่ฟิล์มบางส่วนใหญ่มีธาตุหายากหรือเป็นพิษ ซึ่งก่อให้เกิดปัญหาด้านความปลอดภัย โมดูลเคมีเชิงพาณิชย์ยังต้องได้รับการปรับปรุงและตรวจสอบ ดังนั้นงานต่อไปจึงต้องพัฒนากระบวนการ (เช่น การเติมโดป) ปรับปรุงประสิทธิภาพ ลดต้นทุน และเพิ่มความเสถียร เมื่อเทียบกับแบตเตอรี่โซลาร์เซลล์สองประเภทก่อนหน้า แบตเตอรี่โซลาร์เซลล์รุ่นที่สามมีโอกาสใช้งานและศักยภาพในการพัฒนาสูงกว่า แต่เนื่องจากเกี่ยวข้องกับขนาดจุลภาค กระบวนการผลิตและข้อกำหนดจึงซับซ้อนมากขึ้น และกลไกการขนส่งประจุที่ผิวหน้าต้องได้รับการศึกษาเพิ่มเติม