ผลิตไฟได้เกิน 100% นักวิจัยใช้กลไก Singlet Fission ทำให้แผงโซลาร์เซลล์ผลิตไฟได้เกินคาด

นักวิจัยจากประเทศญี่ปุ่น ใช้กลไกควอนตัมแบบ Singlet Fission บนแผงโซลาร์เซลล์ ช่วยเพิ่มขีดความสามารถในการผลิตพลังงานไฟฟ้าให้มีมากขึ้น โดยผลิตได้ถึง 130%

โลกพลังงานสะอาดก้าวไปอีกขั้น เมื่อนักวิทยาศาสตร์ค้นพบวิธีทำลายขีดจำกัดเดิมของโซลาร์เซลล์ด้วยกลไกทางควอนตัมที่เรียกว่า "Singlet Fission" ซึ่งช่วยให้แสงอาทิตย์เพียงหนึ่งหน่วยสามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้ถึงสองเท่า ส่งผลให้ค่าประสิทธิภาพพุ่งทะลุ 130% นับเป็นการเปลี่ยนโฉมหน้าการผลิตไฟฟ้าด้วยแผงโซลาร์เซลล์ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น

ก้าวข้ามขีดจำกัดด้วยกลไก “Singlet Fission”

นักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยคิวชู (Kyushu University) ประเทศญี่ปุ่น ร่วมกับทีมนักวิจัยจากสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ (Massachusetts Institute of Technology: MIT) ประเทศสหรัฐอเมริกา ประสบความสำเร็จในการควบคุมอนุภาคพลังงานในระดับโมเลกุล ซึ่งโดยปกติแล้วตามทฤษฎีทางฟิสิกส์แบบเดิม แสงหนึ่งอนุภาคหรือ "โฟตอน" จะสามารถสร้างอนุภาคพาหะไฟฟ้าหรือ "อิเล็กตรอน" ได้เพียงตัวเดียวเท่านั้น

ทำให้ประสิทธิภาพเชิงควอนตัมของโซลาร์เซลล์ทั่วไปถูกจำกัดไว้ที่ไม่เกิน 100% แต่การใช้กลไก "Singlet Fission" ทำให้โมเลกุลที่ได้รับพลังงานเพียงหนึ่งหน่วย สามารถแยกตัวออกเป็นสองหน่วย ส่งผลให้ปริมาณไฟฟ้าที่ผลิตได้เพิ่มขึ้นอย่างก้าวกระโดดจากต้นตอพลังงานเพียงแหล่งเดียว

ประสิทธิภาพ 130% และการจัดเรียงโมเลกุลแบบใหม่

การเพิ่มประสิทธิภาพเชิงควอนตัม (Quantum Yield) ให้สูงถึง 130% นี้มาจากการใช้สารอินทรีย์กึ่งตัวนำที่มีคุณสมบัติพิเศษที่เรียกว่า Spin-flip ของอิเล็กตรอน ทีมวิจัยได้ออกแบบโครงสร้างโมเลกุลที่ช่วยให้สถานะพลังงานระดับสูงสามารถถ่ายโอนและแบ่งตัวได้อย่างรวดเร็วและมีเสถียรภาพมากขึ้น กระบวนการนี้ช่วยลดการสูญเสียพลังงานในรูปแบบของความร้อน การค้นพบนี้ช่วยดึงพลังงานจากแสงแดดออกมาใช้ได้ขึ้น

กลไกทางควอนตัมที่เรียกว่า Singlet Fission

วัสดุอัจฉริยะที่ยืดหยุ่นและมีประสิทธิภาพสูง

เทคโนโลยีใหม่นี้ไม่ได้จำกัดอยู่เพียงแค่การเพิ่มตัวเลขประสิทธิภาพเท่านั้น แต่ยังเน้นไปที่การใช้วัสดุประเภท "สารอินทรีย์" (Organic Semiconductors) ซึ่งพัฒนาโดยสถาบันวิจัยชั้นนำที่เชี่ยวชาญด้านเคมีวัสดุจากประเทศญี่ปุ่น

วัสดุนี้มีความยืดหยุ่นสูงและมีน้ำหนักเบา ต่างจากแผงโซลาร์เซลล์แบบเดิมที่แข็งและเปราะบาง การนำกลไก Singlet Fission มาปรับใช้กับวัสดุกลุ่มนี้ช่วยให้ผลิตแผงพลังงานที่มีลักษณะเป็นฟิล์มบาง ซึ่งนำไปติดตั้งบนพื้นผิวที่โค้งมน หรือรวมเข้ากับวัสดุก่อสร้าง เช่น กระจกหน้าต่างอาคาร หลังคารถยนต์ไฟฟ้าได้อย่างแนบเนียน โดยยังคงผลิตกระแสไฟฟ้าได้สูงเกินขีดจำกัดเดิม

ทิศทางและการพัฒนาสู่เชิงพาณิชย์

แม้ว่าเทคโนโลยีนี้ยังอยู่ในขั้นตอนการทดสอบในระดับห้องปฏิบัติการ แต่ผลลัพธ์ที่ได้นั้นสามารถปฏิวัติวงการพลังงานแสงอาทิตย์ได้ โดยนักวิจัยได้มุ่งเน้นการเพิ่มความคงทนของวัสดุให้ทนต่อสภาพอากาศที่รุนแรงได้ในระยะยาวเทียบเท่ากับแผงโซลาร์เซลล์ในปัจจุบัน ซึ่งหากการพัฒนานี้สำเร็จสมบูรณ์ เราจะได้เห็นการผลิตพลังงานไฟฟ้าในราคาที่ถูกลงอย่างมาก และเข้าถึงได้ง่ายขึ้นทั่วโลก โดยไม่ต้องพึ่งพาวัสดุราคาแพงหรือกระบวนการผลิตที่ซับซ้อนเกินไป ซึ่งจะช่วยให้เราสามารถผลิตพลังงานจากแสงอาทิตย์ได้อย่างที่ไม่เคยเป็นมาก่อน

ความสำเร็จในการใช้กลไก Singlet Fission เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพโซลาร์เซลล์ได้ถึง 130% ถือเป็นจุดเปลี่ยนสำคัญของนวัตกรรมพลังงานโลก การก้าวข้ามขีดจำกัดทางควอนตัมไม่เพียงแต่พิสูจน์ความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์ แต่ยังเป็นความหวังในการแก้ปัญหาวิกฤตพลังงานและค่าครองชีพในอนาคต เทคโนโลยีนี้จะช่วยให้การผลิตไฟฟ้าสะอาดทำได้ง่ายมากขึ้นในพื้นที่ที่น้อยลง ลดต้นทุน และสร้างความยั่งยืนให้แก่โลกอย่างแท้จริง

เรียบเรียงโดย ขนิษฐา จันทร์ทร

ที่มาข้อมูล: kyushu-u, interestingengineering, sciencealert, newatlas
ที่มาภาพ: kyushu-u

อัปเดตข้อมูลแวดวงวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี รู้ทันโลกไอที และโซเชียลฯ ในรูปแบบ Audio จาก AI เสียงผู้ประกาศของไทยพีบีเอส ได้ที่ Thai PBS

“รอบรู้ ดูกระแส ก้าวทันโลก” ไปกับ Thai PBS Sci & Tech