วันพฤหัสบดีที่ 9 เมษายน พ.ศ. 2552

ส่วนประกอบของ Dye Sensitized Solar Cells

1.เคาน์เตอร์อิเล็กโทรด (Counter-electrode)
เคาน์เตอร์อิเล็กโทรดทำหน้าที่ถ่ายโอนอิเล็กตรอนที่มาจากภายนอกให้กลับเข้าสู่สารละลายอิเล็กโตรไลต์ (Electrolyte solution) โดยที่เคาน์เตอร์อิเล็กโทรดต้องมีสมบัติดังนี้คือ มีค่าการนำไฟฟ้าที่ดี มีความเป็นรูพรุนสูงเพื่อเพิ่มพื้นที่ผิวในการเกิดปฏิกิริยา และจะต้องเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่ดีด้วย วัสดุที่นิยมใช้ทำเป็นเคาน์เตอร์อิเล็กโทรดคือ โลหะแพลทินัม (Pt) แต่เนื่องจากโลหะแพลทินัมมีราคาแพงอาจใช้วัสดุอื่นแทนได้เช่น ผงคาร์บอน ท่อคาร์บอนนาโน หรือโพลิเมอร์นำไฟฟ้า (Conducting polymer) เช่น PEDOT หรือ Polypyrrole เป็นต้น

2. ขั้วไฟฟ้าเวิคคิ่ง (Working–electrode)
ประกอบด้วย สารกึ่งตัวนำโลหะออกไซด์ (Metal Oxide Semiconductor) เช่น TiO2 SnO2 ZnO Fe3O4 NiO SiO2 เป็นต้น, แก้วเคลือบด้วยสารนำไฟฟ้าโปร่งแสง (Transparent Conducting Oxide glass, TCO glass) เช่น สารกลุ่ม ITO (Indium doped Tin Oxide) หรือ FTO (Fluorine doped Tin Oxide), และโมเลกุลของเม็ดสีที่ใช้ย้อม (Dye-sensitizer)
2.1 สารกึ่งตัวนำโลหะออกไซด์ (Metal Oxide Semiconductor)
สารกึ่งตัวนำโลหะออกไซด์มักเป็นกลุ่มสารกึ่งตัวนำที่มีแถบพลังงานกว้าง (wide band gap semiconductor) และมักถูกเตรียมให้อยู่ในรูปของฟิล์มบางที่มีลักษณะเป็นรูพรุนสูง (high porous) และเมื่อถูกเคลือบด้วยโมเลกุลของเม็ดสีย้อมทำให้สามารถดูดกลืนแสงอาทิตย์ในช่วงที่ตาเรามองเห็นได้เป็นอย่างดี เนื่องจากต้องการให้โมเลกุลของสีย้อมมีการดูดกลืนแสงให้ได้มากที่สุด สารกึ่งตัวนำที่ใช้ควรจะไม่ดูดกลืนแสงในช่วงที่ตามองเห็น ทำให้ต้องเลือกใช้สารกึ่งตัวนำที่มีช่องว่างแถบพลังงานกว้างมากกว่า 3 eV และระดับพลังงานของขอบล่างของแถบการนำ (conduction band edge) ควรจะมีค่าน้อยกว่าค่าระดับพลังงานที่สถานะถูกกระตุ้นของโมเลกุลของสีย้อม เพื่อทำให้เกิดการส่งผ่านอิเล็กตรอนจากโมเลกุลของเม็ดสีมายังสารกึ่งตัวนำโลหะออกไซด์ได้ นอกจากนั้นสารกึ่งตัวนำยังต้องมีค่าคงที่ของการนำไฟฟ้า (dielectric constant, e) ที่สูง มีความเสถียร ราคาถูกและไม่เป็นพิษต่อสิ่งแวดล้อม สารกึ่งตัวนำในกลุ่มโลหะออกไซด์ที่นิยมใช้กันมากที่สุดคือ ไทเทเนียมไดออกไซด์ (TiO2) ในรูปของโครงสร้างผลึกแบบอนาเทส (Anatase) (อนาเทสมีค่า Eg= 3.2 eV) ซึ่งผลึกแบบ อนาเทสมีค่าคงที่การนำไฟฟ้าสูง (e = 80) และมีค่าดัชนีหักเหของแสงสูง (n = 2.5) ทำให้มีการ สะท้อนของแสงกลับไปกลับมาได้ดี เป็นการเพิ่มประสิทธิภาพในการดูดกลืนแสงของโมเลกุลของเม็ดสีย้อม (A. Kay, M. Gratzel, 1996)

2.2 แก้วเคลือบด้วยสารนำไฟฟ้าโปร่งแสง (Transparent Conducting Oxide glass)
สารนำไฟฟ้าโปร่งแสงมีคุณสมบัติสามารถนำไฟฟ้าได้ดี แต่ในขณะเดียวกันก็ยอมให้แสงในช่วงที่ตามองเห็นผ่านได้ ซึ่งในอุตสาหกรรมการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์มักใช้สารอินเดียมทินออกไซด์ (ITO) ซึ่งมีค่าการนำไฟฟ้าค่อนข้างสูง แต่เนื่องจากในกระบวนการประดิษฐ์เซลล์แสง อาทิตย์ชนิดผลึกนาโนเม็ดสีจะต้องมีการให้ความร้อนประมาณ 450 °C ในการเตรียมชั้นฟิล์มของสารกึ่งตัวนำแบบแถบพลังงานกว้าง ซึ่งพบว่าการใช้ ITO นั้นจะไม่มีความเสถียร เมื่อผ่านอุณหภูมิสูงทำให้ความต้านทานเพิ่มขึ้นอย่างมากเมื่อเทียบกับค่าความต้านทานเริ่มต้น อันจะส่งผลให้ประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ลดลง ดังนั้นจึงมีการใช้สารทินออกไซด์ที่เจือด้วยสารฟลูออร์ไรด์ (SnO2 : F) ซึ่งมีความเสถียรมากกว่าเมื่อผ่านการเผาที่อุณหภูมิสูง เป็นชั้นฟิล์มนำไฟฟ้าโปร่งแสง
2.3 เม็ดสีที่ใช้ย้อม (Dye-sensitizer)
โมเลกุลของเม็ดสีจะเคลือบอยู่บนผิวของอนุภาคโลหะออกไซด์ และทำหน้าที่ในการดูดกลืนแสงอาทิตย์โดยเฉพาะช่วงที่ตาเรามองเห็น โดยที่เม็ดสีย้อมจะต้องมีคุณสมบัติ คือ มีความเสถียรภาพเมื่ออยู่ในสภาวะที่ถูกออกซิไดซ์ สภาวะพื้นและสภาวะถูกกระตุ้น มีค่าการดูดกลืนแสงที่สูง มีราคาถูกและไม่เป็นพิษกับสิ่งแวดล้อม ซึ่งปกติแล้วมักใช้โมเลกุลของสารประกอบเชิงซ้อนของโลหะรูเทเนียม (Ru) กับลิแกนด์ในกลุ่มของโพลีไพริดีน (polypyridine) เนื่องจากว่าสารดังกล่าวมีราคาแพงอันเนื่องมาจากการมีอยู่น้อยมากของโลหะ Ru ดังนั้นการเลือกใช้สีย้อมที่สกัดได้จากพืช เช่น สารคลอโรฟิล (Chlorophyll) แอนโทไซยานิน (Anthocyanin) แคโรทีนอย (Carotenoid) หรืออื่นๆ จึงเป็นอีกทางเลือกหนึ่งของการประดิษฐ์เซลล์แสงอาทิตย์ให้มีราคาถูกลง
3.สารละลายอิเล็กโตรไลต์ (electrolyte solution)
สารละลายอิเล็กโตรไลต์ ทำหน้าที่ในการส่งผ่านอิเล็กตรอน (electron transfer) จากขั้วไฟฟ้าเคาน์เตอร์อิเล็กโทรดในฝั่งที่เป็นฟิล์มบางของโลหะแพลทินัมไปยังโมเลกุลของเม็ดสีที่เสียอิเล็กตรอนไปในตอนแรกจากการถูกกระตุ้นด้วยแสง ในสารละลายอิเล็กโตรไลต์จะอาศัยกระบวนการเกิดปฎิกิริยารีดักชัน (Reduction) และปฎิกิริยาออกซิเดชัน (Oxidation) หรือที่เรียกว่า ปฏิกิริยา รีดอกซ์ (Redox reaction) ซึ่งคุณสมบัติของสารละลายอิเล็กโตรไลต์ที่ดีมีดังนี้ จะต้องไม่มีการดูด กลืนแสงอาทิตย์ในช่วงที่ตามองเห็น มีความสามารถในการเกิดปฏิกิริยารีดักชัน-ออกซิเดชันได้ง่าย เพื่อชดเชยอิเล็กตรอนให้แก่เม็ดสีย้อมที่อยู่ในรูปตัวออกซิไดซ์ได้อย่างรวดเร็ว และจะต้องมีความคงตัวสูง ไม่ก่อให้เกิดสารประกอบตัวใหม่ที่ไม่ต้องการขึ้นภายในเซลล์ สารละลายอิเล็กโตรไลต์ที่นิยมใช้ในการประดิษฐ์เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดนี้คือ สารละลายอิเล็กโตรไลต์ในระบบ ที่ได้จากการแตกตัวของสารไอโอดีน (I2) โดย จะมีประสิทธิภาพในการให้อิเล็กตรอนกับเม็ดสีย้อมที่อยู่ในรูปของตัวออกซิไดซ์ที่สถานะพื้นได้เป็นอย่างดี

2 ความคิดเห็น:

  1. ผมกำลังทำ thesis เกี่ยวกับ working electrode ครับ
    ยังไงมีข้อมูลอะไรเพิ่มเติมช่วยนำมาลงในบล็อกให้ทีนะครับ หรือส่งเมลมาก็ได้ที่ kittirong@hotmail.com ขอบคุณครับ.

    ตอบนำออก
  2. อยากรู้ว่าซิ้อกระจกนำไฟฟ้าที่ไหนครับ

    ตอบนำออก