fabrication of dye-sensitized solar cells using …ethesis.kru.ac.th/files/v59_58/supaphorn...

การประดิษฐ์เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสงโดยใช้สีย้อมจากธรรมชาติที่สกัดจาก

เปลือกมะเกลือเลือดเป็นตัวดูดกลืนแสง

FABRICATION OF DYE-SENSITIZED SOLAR CELLS USING NATURAL DYES EXTRACTED FROM STEM BARK OF TERMINALIA

MUCRONATA CRAIB ET HUTCH AS SENSITIZER

สุภาพร สีสิงห์

วิทยานิพนธ์นี้เป็นส่วนหนึ่งของการศึกษาหลักสูตรวิทยาศาสตรมหาบัณฑิต สาขาวิชาวิทยาศาสตร์ศึกษา

มหาวิทยาลัยราชภัฏกาญจนบุรี พ.ศ. 2558

ลิขสิทธ์ของมหาวิทยาลัยราชภัฏกาญจนบุรี

การประดิษฐ์เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสงโดยใช้สีย้อมจากธรรมชาติที่สกัดจาก

เปลือกมะเกลือเลือดเป็นตัวดูดกลืนแสง

FABRICATION OF DYE-SENSITIZED SOLAR CELLS USING NATURAL DYES EXTRACTED FROM STEM BARK OF TERMINALIA

MUCRONATA CRAIB ET HUTCH AS SENSITIZER

สุภาพร สีสิงห์

วิทยานิพนธ์นี้เป็นส่วนหนึ่งของการศึกษาหลักสูตรวิทยาศาสตรมหาบัณฑิต สาขาวิชาวิทยาศาสตร์ศึกษา

มหาวิทยาลัยราชภัฏกาญจนบุรี พ.ศ. 2558

ลิขสิทธ์ของมหาวิทยาลัยราชภัฏกาญจนบุรี หัวข้อวิทยานิพนธ์ การประดิษฐ์เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสงโดยใช้สีย้อมจาก

ธรรมชาติที่สกัดจากเปลือกมะเกลือเลือดเป็นตัวดูดกลืนแสง ผู้วิจัย นางสาวสุภาพร สีสิงห์ ปริญญา วิทยาศาสตรมหาบัณฑิต สาขาวิชา วิทยาศาสตร์ศึกษา อาจารย์ท่ีปรึกษา ดร.สมพงศ์ มาเบ้า อาจารย์ท่ีปรึกษาร่วม ดร.วิรัตน์ เจริญบุญ ดร.เฉลียว เพชรทอง

คณะกรรมการสอบ ...................................................................................ประธานกรรมการ

(ดร.วชิาญ พันธุ์ประเสริฐ)

...................................................................................กรรมการ (ดร.สมพงศ์ มาเบ้า)

...................................................................................กรรมการ (ดร.วิรัตน์ เจริญบุญ)

...................................................................................กรรมการ (ดร.เฉลียว เพชรทอง)

...................................................................................กรรมการผู้ทรงคุณวุฒิ (รองศาสตราจารย์ ดร.สมิต อินทร์ศิริพงษ์)

คณะกรรมการบัณฑิตศึกษา มหาวิทยาลัยราชภัฏกาญจนบุรี อนุมัติให้วิทยานิพนธ์ฉบับนี้

เป็นส่วนหนึ่งของการศึกษาตามหลักสูตรวิทยาศาสตรมหาบัณฑิต สาขาวิชาวิทยาศาสตร์ศึกษา .......................................................... (ดร.ณรงค์เดช รัตนานนท์เสถียร) ประธานคณะกรรมการบัณฑิตศึกษา

วันที่ ........... เดือน ........................................ พ.ศ. ............

ประวัติส่วนตัว 1.ข้อมูลส่วนตัว ชื่อ นางสาวสุภาพร นามสกุล สีสิงห์

อีเมลล์ [email protected] 2.ข้อมูลสถานที่ติดต่อ ชื่อหน่วยงาน โรงเรียนบ้านเหมืองสองท่อ เลขที่ 25/16 หมู่ที่ 7 ต าบลชะแล

อ าเภอทองผาภูมิ จังหวัดกาญจนบุรี รหัสไปรษณีย์ 71180 โทรศัพท์ 089-2576730

3.ข้อมูลการท างานปัจจุบัน อาชีพ รับราชการ รฐัวิสาหกิจ เอกชน อ่ืนๆ ระบุ.................. ต าแหน่ง ครู อันดับ คศ.1

mailto:[email protected]

ชื่อหน่วยงาน โรงเรียนบ้านเหมืองสองท่อ เลขที่ 25/16 หมู่ที่ 7 ต าบลชะแล อ าเภอทองผาภูมิ จังหวัดกาญจนบุรี รหัสไปรษณีย์ 71180 โทรศัพท์ 089-2576730

4.ข้อมูลประวัติการศึกษา

ระดับปริญญาตรี สาขาวิชา คณิตศาสตร์ คณะครุศาสตร์บัณฑิต ปีการศึกษา 2545

5.ข้อมูลประวัติการท างาน

พ.ศ. 2554 ถึง พ.ศ. 2558 ชื่อหน่วยงาน โรงเรียนบ้านเหมืองสองท่อ ต าแหน่ง ครู ระยะเวลา 4 ปี

6.ประสบการณ์งานวิจัย/พัฒนา -

(1)

บทคัดย่อ

หัวข้อวิทยานิพนธ์ การประดิษฐ์เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสงโดยใช้สีย้อมจาก ธรรมชาติที่สกัดจากเปลือกมะเกลือเลือดเป็นตัวดูดกลืนแสง

ผู้วิจัย นางสาวสุภาพร สีสิงห์ ปริญญา วิทยาศาสตรมหาบัณฑิต สาขาวิชา วิทยาศาสตร์ศึกษา ปีการศึกษา 2557 อาจารยท์ี่ปรึกษา ดร.สมพงศ์ มาเบ้า อาจารย์ท่ีปรึกษาร่วม ดร.วิรัตน์ เจริญบุญ ดร.เฉลียว เพชรทอง

งานวิจัยนี้ ได้ประดิษฐ์เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง ศึกษาสมบัติทางไฟฟ้าและ

ประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ โดยใช้สารสกัดจากเปลือกมะเกลือเลือดเป็นตัวดูดกลืนแสงในขั้วไฟฟ้าเวิคคิง(Working electrode) ที่เคลือบด้วย TiO2 ใช้เวลาในการย้อมสี 24 ชั่วโมง พบว่าประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสงเพ่ิมขึ้นตามความเข้มข้นของสีย้อม โดยความเข้มข้น 8 กรัมต่อปริมาณเอทานอล 20 มิลลิลิตร ได้ค่าความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าลัดวงจรของเซลล์แสงอาทิตย ์0.10 mA/cm2และให้ค่าประสิทธิภาพสูงสุดร้อยละ 0.05 อย่างไรก็ตามเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสงที่ใช้สีย้อมจากเปลือกมะเกลือเลือดเป็นตัวดูดกลืนแสงมีประสิทธิภาพที่ได้ค่อนข้างต่่าเมื่อเปรียบเทียบกับการใช้สีย้อมมาตรฐานN719 เป็นตัวดูดกลืนแสง ทั้งนี้อาจจะเกิดจากการไม่เสถียรของสีย้อมจากธรรมชาติ

(2)

ABSTRACT

Thesis Title FABRICATION OF DYE-SENSITIZED SOLAR CELLS USING NATURAL DYES EXTRACTED FROM STEM BARK OF TERMINALIA MUCRONATA CRAIB ET HUTCH COMBRETACEAE AS SENSITIZER

Researcher Miss.Supaphorn Srising Degree Master of Science

Program Science Education

Academic Year 2014 Advisor Dr.Sompong Mabout Co-Advisor Dr.Wirat Jarernboon Dr.Chaleaw Petchthong

This research aims to fabricate the dye-sensitized solar cells (DSSC), and the electrical properties including its efficiency were studied. The natural dye extracted from stem bark of Terminalia mucronata craib et hutch was used as the sensitizer in the working electrodes made with TiO2 – coated, and these electrodes were immersed into a dye solution for 24 hours. It was found that the efficiency of DSSC depended on the dye concentration, 8 grams of dyes per 20 ml of ethanol solution was the appropriate concentration. The best results of DSSC were the short circuit current density (JSC) of 0.10 mA/cm2 and the highest efficiency of 0.05 % . However, the efficiency of DSSC using natural dyes extracted from stem bark of Terminalia mucronata craib et hutch is relatively low compared with the standard Ruthenium complex dye (N719 dye), this maybe due to the unstable of natural dyes.

(3)

กิตติกรรมประกาศ

วิทยานิพนธ์ฉบับนี้ส่าเร็จลุล่วงด้วยดีโดยได้รับความอนุเคราะห์อย่างดียิ่งจาก ดร.สมพงศ์ มาเบ้า ดร.วิรัตน์ เจริญบุญ และดร.เฉลียว เพชรทอง กรรมการควบคุมวิทยานิพนธ์ ที่ได้กรุณาให้ค่าปรึกษาแนะน่าและตรวจสอบแก้ไขข้อบกพร่องในการด่าเนินการวิจัย ผู้วิจัยรู้สึกซาบซึ้งและถือเป็นพระคุณอย่างยิ่ง จึงขอกราบขอบพระคุณเป็นอย่างสูง ไว้ ณ โอกาสนี้และขอกราบขอบพระคุณ ดร.วิชาญ พันธ์ประเสริฐ ประธานหลักสูตรวิทยาศาสตรมหาบัณฑิต สาขาวิทยาศาสตร์ศึกษา ที่กรุณาให้ขอ้เสนอแนะด้วยดีเสมอมาจนท่าให้การวิจัยมีความถูกต้องสมบูรณ์ยิ่งขึ้น

ขอกราบขอบพระคุณคณาจารย์ในสาขาวิชาวิทยาศาสตร์ศึกษา ทุกท่านที่ได้กรุณาให้ความรู้และค่าแนะน่าด้วยดีเสมอมา ขอขอบคุณคณะวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี มหาวิทยาลัยราชภัฏกาญจนบุรี ที่เอ้ือเฟ้ือสถานที่คือห้องปฏิบัติการทางด้านเคมี ห้องปฏิบัติการทางด้านฟิสิกส์ และศูนย์วิทยาศาสตร์เพ่ือใช้ในการปฏิบัติการทดลอง ขอขอบคุณวิทยาลัยนาโนเทคโนโลยีพระจอมเกล้าลาดกระบัง สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้ าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง ที่ เ อ้ือเฟ้ือสถานที่ คือห้องปฏิบัติการทางด้านฟิสิกส์ เพ่ือใช้ในการปฏิบัติการทดลอง

ขอขอบคุณ คุณอรพรรณ คงทาน และคุณกานต์สิณี เมธีสิริศักดิ์ ที่กรุณาให้ค่าแนะน่าในการใช้อุปกรณ์การศึกษาวิจัย ขอขอบคุณเพ่ือนๆ พี่ๆ และทุกคนที่ให้ก่าลังใจและให้ความช่วยเหลือในงานด้านต่างๆ มาโดยตลอด ขอกราบขอบพระคุณบิดา มารดา ตลอดจนทุกคนในครอบครัวของข้าพเจ้า ที่ใหก้่าลังใจช่วยเหลือ สนับสนุนและอ่านวยความสะดวกโดยตลอด จึงขอขอบพระคุณมา ณ ที่นี้ด้วย

คุณค่าและประโยชน์ที่พึงได้รับจากวิทยานิพนธ์ฉบับนี้ ผู้วิจัยขอน้อมร่าลึกถึงพระคุณของบรรพบุรุษ บูรพาจารย์ และผู้มีพระคุณทุกท่าน ที่ได้อบรมสั่งสอนให้ผู้วิจัยสามารถด่ารงตนและมานะพยายามศึกษา จนบรรลุผลส่าเร็จด้วยดีเสมอมา

สุภาพร สีสิงห ์

(4)

สารบัญ หน้า

บทคัดย่อภาษาไทย (1) บทคัดย่อภาษาอังกฤษ (2) กิตติกรรมประกาศ (3) สารบัญ (4) สารบัญตาราง (6) สารบัญภาพ (7) อักษรย่อและสัญลักษณ์ (8) บทที่ 1 บทน า 1 ที่มาและความส่าคัญ 1 วัตถุประสงค์ของการวิจัย 2 สมมติฐานของการวิจัย 2

กรอบแนวคิดในการวิจัย 2 ขอบเขตการวิจัย 5 นิยามศัพท์เฉพาะ 5 ประโยชน์ที่คาดว่าจะได้รับ 5 2 เอกสารและงานวิจัยที่เกี่ยวข้อง 6

งานวิจัยที่เกี่ยวข้อง 6 การพัฒนาสู่เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง 8 ส่วนประกอบที่ส่าคัญของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง 10 กระจกน่าไฟฟ้าโปร่งแสง 10 อนุภาคโลหะออกไซด์หรือสารกึ่งตัวน่า 11 สีย้อมไวแสง 11 สารละลายอิเล็กโทรไลต์ 11 ชั้นตัวเร่งปฏิกิริยา 12 หลักการท่างานของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง 13

ประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ 14

(5)

การพัฒนาสีย้อมไวแสง 16 ความรู้ทั่วไปเกี่ยวกับมะเกลือเลือด 22

ประเภทของเซลล์แสงอาทิตย์ 23 3 วิธีด าเนินการวิจัย 25 กลุ่มตัวอย่าง 25 เครื่องมือและอุปกรณ์ 25

สารเคมี 26 ขั้นตอนการประดิษฐ์เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง 26 การเตรียมขั้วไฟฟ้าเวิคคิง 26 การเตรียมขั้วไฟฟ้าเคาน์เตอร์ 26 การเตรียมสารละลายอิเล็กโทรไลต์ 26 การสกัดสีย้อมจากเปลือกมะเกลือเลือดและการย้อมสี 27 การประกอบเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง 27

4 ผลการวิเคราะห์ข้อมูล 28 การวัดสเปกตรัมการดูดกลืนแสงของสารสกัด 28 ผลการทดลองความเข้มข้นของสีจากเปลือกมะเกลือเลือด 29 5 สรุปผลการวิจัยและข้อเสนอแนะ 30

สรุปผลการวิจัย 30 ข้อเสนอแนะ 30

เอกสารอ้างอิง 31 ภาคผนวก 33 ภาคผนวก ก ขั้นตอนการเตรียมกระจกน่าไฟฟ้า 34 ภาคผนวก ข ขั้นตอนการเตรียมขั้วไฟฟ้าเวิคคิงและขั้วไฟฟ้าเคาน์เตอร์ 38 ภาคผนวก ค การเตรียมสารละลายอิเล็กโทรไลต ์ 41

ภาคผนวก ง การสกัดสีย้อมจากเปลือกมะเกลือเลือดและการย้อมสี 43

ภาคผนวก จ การประกอบเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง 46 ประวัติผู้วิจัย 48

(6)

สารบัญตาราง

ตารางท่ี หน้า

1 ประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง 21 2 เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดต่าง ๆ 24 3 ความเข้มข้นของสีจากเปลือกมะเกลือเลือดต่อปริมาณเอทานอล 29

(7)

สารบัญภาพ

ภาพที่ หน้า

1 กรอบแนวคิดในการวิจัยเพ่ือสกัดสีย้อมจากเปลือกมะเกลือเลือด 3 2 กรอบแนวคิดในการวิจัยแสดงขั้นตอนในการประดิษฐ์เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง 4 3 เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดรอยต่อพีเอ็นของสารกึ่งตัวน่า 8 4 เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดรอยต่อสารกึ่งตัวน่าและของเหลว 10 5 โครงสร้างของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง 12 6 หลักการท่างานของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง 13 7 สเปกตรัมของแสงมาตรฐานที่ ASTM ก่าหนด 14 8 กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างความหนาแน่นกระแสกับความต่างศักย์ไฟฟ้า ของเซลล์แสงอาทิตย์ภายใต้การฉายแสง 15 9 วงจรสมมูลของเซลล์แสงอาทิตย์ 16 10 สีย้อมไวแสงกลุ่มสารประกอบเชิงซ้อนของโลหะรูธิเนียมกับลิแกนด์โพลีไพริดีน 17 11 สีย้อมไวแสง Coumarin based NKX-2677, Flavonoid anthocyanin dye, Xanthene dye, Perylene dye และ Perylene dye 18 12 สีย้อมไวแสงพอร์ไพริน Zn-TCPP, TCPP, Zn-1a, Zn-1b และ Zn-1c 19 13 ส่วนต่างๆ ของมะเกลือเลือด 22 14 เซลล์แสงอาทิตย์ที่ท่าจากซิลิคอน 23 15 สเปกตรัมการดูดกลืนแสงของสารสกัด 28 16 ความสัมพันธ์ระหว่างความหนาแน่นและความต่างศักย์ไฟฟ้า 28

(8)

อักษรย่อและสัญลักษณ์ DSSC = Dye-sensitized solar cells ASTM = American Society for Testing and Materials FTO = Fluorine-doped Tin Oxide TiO2 = ไททาเนียม ไดออกไซด์ Pt = แพลทินัม ๐C = องศาเซลเซียส Jsc = กระแสไฟฟ้าลัดวงจร Voc = ค่าศักย์ไฟฟ้าวงจรเปิด mW/cm2 = มิลลิวัตต์ ต่อ ตารางเซนติเมตร mA/cm2 = มิลลิแอมแปร์ ต่อ ตารางเซนติเมตร V = โวลต ์A = แอมแปร์ Nm = นาโนเมตร eV = Exposure Value pH = Power of Hydrogen = ควอนตัมยิลด์ = ความยาวคลื่น

1

บทท่ี 1

บทน า

ที่มาและความส าคัญ

พลังงานไฟฟ้าถือเป็นปัจจัยพื้นฐานทีส่ าคัญของการพัฒนาประเทศ และมีการใช้อย่างมหาศาลจึงจ าเป็นต้องผลิตไฟฟ้าจากแหล่งพลังงานอ่ืนๆ เช่น เชื้อเพลิงจากซากดึกด าบรรพ์ พลังงานลม พลังงานน้ า เป็นต้น เพ่ือให้เพียงพอกับความต้องการที่ เพ่ิมสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว ในหลายประเทศจึงได้แสวงหาพลังงานทางเลือกใหม่มาทดแทนพลังงานรูปแบบเดิม เพ่ือลดการน าเข้าเชื้อเพลิงจากต่างประเทศ เราจ าเป็นต้องมีการเร่งพัฒนาและหันมาใช้พลังงานทดแทนในรูปแบบต่างๆ ซึ่งพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานทดแทนส าหรับอนาคตที่สะอาดไม่เป็นมลพิษต่อสิ่งแวดล้อม และสามารถน ามาผลิตกระแสไฟฟ้าได้โดยตรงด้วยเซลล์แสงอาทิตย์ แต่จ าเป็นต้องมีอุปกรณ์ในการเปลี่ยนพลังงานที่ได้จากดวงอาทิตย์ไปเป็นพลังงานที่เราต้องการซึ่งสิ่งนั้นก็คือ เซลล์แสงอาทิตย์

เซลล์แสงอาทิตย์ที่ใช้กันในปัจจุบัน แบ่งได้เป็น 3 ชนิดใหญ่ๆ คือ เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสาร กึ่งตัวน าซิลิกอน (Si-solar cells) ซึ่งมีทั้งแบบผลึกเดี่ยว ผลึกรวม และแบบอะมอร์ฟัส อีกชนิดหนึ่งก็คือ เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสารกึ่งตัวน าแบบผสม (Compound semiconductor solar cells) เช่น เซลล์แสงอาทิตย์ตระกูล CIS, CIGS, CdTe, GaAs, GaP, InP เป็นต้น และเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดทางเลือกที่สาม (Third generation solar cells) ได้แก่ เซลล์แสงอาทิตย์จากสารอินทรีย์ (Organics solar cells) เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง (Dye-sensitized solar cells, DSSC) (วิรัตน์ เจริญบุญ,2549) เซลล์แสงอาทิตย์ที่ท ามาจากผลึกซิลิกอน (Crystalline Silicon) ที่มีความบริสุทธิ์สูงจะให้ประสิทธิภาพในการเปลี่ยนแสงอาทิตย์เป็นพลังงานไฟฟ้าได้ถึง 12–17% (ศุภชัย จันทร์งาม,2552) แต่ราคาแพงมาก มีขั้นตอนที่ยุ่งยากและก่อให้เกิดมลพิษต่อสิ่งแวดล้อมท าให้ไม่เป็นที่นิยม เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสงจ าเป็นอีกทางเลือกหนึ่งเนื่องจากมีราคาถูก ขั้นตอนการประดิษฐ์ง่ายและสามารถใช้สารสกัดจากธรรมชาติได ้ที่ส าคัญไมเ่ป็นพิษต่อสิ่งแวดล้อม เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดนี้มีหลักการท างานคล้ายกับการสังเคราะห์แสงของพืช มีขั้นตอนการประดิษฐ์ง่าย ในปีค.ศ.1991 ได้มีผู้ประดิษฐ์เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง ได้ประสิทธิภาพสูงถึง 7% ปัจจุบันเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง ได้ถูกพัฒนาให้มีประสิทธิภาพสูงมากกว่า 10% (Graetzel,M.1991)

ในจังหวัดกาญจนบุรีมีความหลากหลายทางชีวภาพ มะเกลือเลือดเป็นพืชท้องถิ่น ที่เปลือกจะให้สีม่วงแดง มีสารกลุ่มแอนโทรไซยานิน สามารถดูดกลืนแสงได้ดี พบในอ าเภอพนมทวน โดยผู้ท าวิจัยมีความสนใจน ามาสกัดสีเพ่ือน ามาประดิษฐ์เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง

2

วัตถุประสงค์ของการวิจัย 1. เพ่ือศึกษากระบวนการสกัดสีจากเปลือกมะเกลือเลือดส าหรับน าไปประดิษฐ์เซลล์แสง อาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง

2. เพ่ือประดิษฐ์เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง ด้วยการใช้สารสกัดจากเปลือกมะเกลือเลือดเป็นตัวดูดกลืนแสง

3. เพ่ือศึกษาสมบัติทางไฟฟ้าและประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง ที่ใช้สารสกัดจากเปลือกมะเกลือเลือด

สมมติฐานของการวิจัย สีที่สกัดได้จากเปลือกมะเกลือเลือดสามารถน าไปประดิษฐ์เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง ที่มีประสิทธิภาพได้ กรอบแนวคิดในการวิจัย

การศึกษาประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสงด้วยการใช้สีของสารสกัดจากเปลือกมะเกลือเลือด โดยมีกรอบความคิด ดังภาพที่ 1 และภาพท่ี 2

3

ขั้นตอนการสกัดสีย้อมจากเปลือกมะเกลือเลือด

- สกัดด้วยตัวท าละลาย - กรอง

ภาพที่ 1 กรอบแนวคิดในการวิจัยเพื่อสกัดสีย้อมจากเปลือกมะเกลือเลือด

เปลือกมะเกลือเลือด

สารสกัดหยาบ

สารละลาย กาก

4

ขั้นตอนการประดิษฐ์เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง

- วัดและตัดกระจกให้มีขนาดตามต้องการ

- สารละลายอิเล็กโทรไลต์

- วัดประสิทธิภาพเซลล์แสงอาทิตย์

ภาพที่ 2 กรอบแนวคิดในการวิจัยแสดงขั้นตอนในการประดิษฐ์เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง

การเตรียมกระจกน าไฟฟ้า FTO

กระจกน าไฟฟ้า กระจกน าไฟฟ้า

ท าความสะอาดด้วยเอทานอล ท าความสะอาดด้วยเอทานอล

เคลือบกระจกน าไฟฟ้าด้วย TiO2 (2ชั้น) เคลือบกระจกน าไฟฟ้าด้วย Pt (1ชั้น)

น าไปเผาด้วยอุณหภูมิ 500 ๐C น าไปเผาด้วยอุณหภูมิ 500 ๐C

แช่สีที่สกัดจากเปลือกมะเกลือเลือด

Working electrode (-)

ประกอบเซลล์แสงอาทิตย์

Counter electrode (+)

DSSC

5

ขอบเขตการวิจัย 1.สีย้อมที่ใช้เป็นสีของสารสกัดจากเปลือกมะเกลือเลือด 2.เซลล์แสงอาทิตย์เป็นชนิดสีย้อมไวแสง นิยามศัพท์เฉพาะ (Keywords) เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง, มะเกลือเลือด, ตะแบกเลือด, Nano-TiO2 , DSSC ประโยชน์ที่คาดว่าจะได้รับ

1.ได้ทราบกระบวนการประดิษฐ์เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง ที่ใช้สีธรรมชาติจาก สารสกัดจากเปลือกมะเกลือเลือด

2.ได้เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสงต้นแบบ ที่มีประสิทธิภาพ 3.สามารถน าความรู้ที่ได้ไปประดิษฐ์เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง ด้วยการใช้สีของ

สารสกัดจากพืชชนิดอ่ืนๆได้

6

บทท่ี 2

เอกสารและงานวิจัยที่เกี่ยวข้อง

ในการวิจัยครั้งนี้ ผู้วิจัยได้ศึกษาค้นคว้าองค์ความรู้และงานวิจัย เพ่ือใช้ในการน ามาประดิษฐ์เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสงโดยใช้สีย้อมจากธรรมชาติที่สกัดจากเปลือกมะเกลือเลือดเป็นตัวดูดกลืนแสง โดยครอบคลุมเนื้อหา ทฤษฎี ดังนี้ งานวิจัยท่ีเกี่ยวข้อง

เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสงก าลังเป็นที่ได้รับความสนใจอย่างแพร่หลายในประเทศไทย พีรกิตติ์ คมสัน (2550) ได้ท าการศึกษาเรื่องเซลล์แสงอาทิตย์กับสีย้อมไวแสงจากกระเจี๊ยบ

และดอกอัญชัน ได้ผลว่า กระเจี๊ยบให้ประสิทธิภาพดีกว่าดอกอัญชัน แก่นไม้ของต้นฝาง (Caesalpinia sappan L.) ให้สีชมพูเข้ม เมื่อแช่ในน้ าร้อนจะให้สีแดง เนื้อฝักคูนหรือราชพฤกษ์ (Cassia fistula Lin.) ละลายน้ าให้สีน้ าตาลเข้มค าแสด (Bixa orellana L.) มีรงควัตถุชื่อบิซิน (Bixin) ซึ่งเป็นแคโรทินอยด์ ที่มีหมู่กรดอินทรีย์ ในเยื่อหุ้มเมล็ด โดยน ามาแช่น้ า หมากเม่าให้สีน้ าเงินอมม่วง แก่นไม้ขนุนมีสารโมริน (Morin) ให้สีเหลือง ดอกทองกวาวมีสารบิวทิน (Butin) ดอกกรรณิการ์มีรงควัตถุชื่อ Nyctanthin เปลือกมะม่วงให้สีเหลือง เปลือกและผลมะม่วงหิมพานต์ เปลือกนนทรี เปลือกโกงกาง รากยอบ้าน เปลือกหูกวาง ใบสะเดา ใบติ้วแดง ผลสมอพิเภก ตะโกให้สีด า

ศุภชัย จันทร์งาม (2550) ได้ท าการศึกษาเรื่องผลของตัวกระตุ้นซิงก์ฟทาโลไซยานิน ต่อประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง ท าการศึกษาลักษณะของขั้วโฟโตอิเล็กโทรด โดยการวิเคราะห์สมบัติทางแสงด้วยเครื่องอัลตราไวโอเลตวิสิเบิลสเปกโทรสโคปี วิเคราะห์โครงสร้างทางกายภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดและกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม วิเคราะห์สมบัติทางไฟฟ้า เช่น กระแสไฟฟ้าวงจรปิด (Jsc) ศักย์ไฟฟ้าวงจรเปิด (Voc) และประสิทธิภาพการแปลงพลัง ( ) ภายใต้เครื่องจ าลองแสงอาทิตย์ที่มีความเข้มแสง 100 mW/cm2 จากการศึกษาเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมพบว่าซิงก์ฟทาโลไซยานิน จะให้ค่ากระแสไฟฟ้าสูงสุด 3.28 mA/cm2 และค่าประสิทธิภาพสูงสุด 0.85% เมื่อเทียบกับเซลล์แสงอาทิตย์ที่ไม่มีซิงก์ฟทาโลไซยานิน

วิรัตน์ เจริญบุญ, (2552) ได้ท าการศึกษาเรื่องเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดผลึกนาโนเมล็ดสี โดยใช้ สีสกัดจากสาหร่ายสไปรูลินา ซึ่งมีลักษณะสีเขียวเป็นตัวดูดกลืนแสง ประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์สูงสุดที่ได้เท่ากับ 0.016% โดยใช้เวลาในการย้อมสี 24 ชั่วโมง เปรียบเทียบกับเซลล์แสงอาทิตย์ที่ใช้ สีย้อมมาตรฐานN719 เป็นตัวดูดกลืนแสง

วินิจ พรมอารักษ์ และคณะ (2552) ได้ประดิษฐ์เซลล์แสงอาทิตย์ที่เป็นรอยต่อพีเอ็นของสารกึง่ตัวน าซิลิกอน

สมาน แซ่โค้ว (2549) ได้ท าการศึกษากับพืช 4 ชนิด คือ หมากเม่า ดอกดาวเรือง ต้นคริสต์มาสและสาหร่ายสไบรูลินา น าไปสกัดสีโดยการใช้ตัวท าละลายในการสกัด จากนั้นน าสีต่างๆ ที่

7

ได้มาวัดค่าการดูดกลืนแสงของสีย้อมด้วยเครื่องยูวี-วิสิเบิลสเปกโทรสโกปี โดยสีน้ าเงินอมม่วงได้จากผลหมากเม่ามีค่าการดูดกลืนแสงระหว่างประมาณ 550-650 นาโนเมตร สีแดงได้จากใบต้นคริสต์มาสค่าการดูดกลืนแสงระหว่างประมาณ 450-650 นาโนเมตร สีเหลืองได้จากดอกดาวเรือง ค่าการดูดกลืนแสงระหว่างประมาณ 410-670 นาโนเมตร ผลการวิจัยเบื้องต้นชี้ให้เห็นว่า สารที่เป็นตัวดูดกลืนแสงของพืชสามารถน ามาเป็นตัวดูดกลืนแสงในเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดผลึกนาโนเมตรสีได้

ทินกร และคณะ (1998) ได้ศึกษาการใช้สีย้อมไวแสงพวกเทนนินและสารประกอบฟีนอลิก พบว่า สารกลุ่มนี้พบในชาด า มีคุณสมบัติที่ดีเมื่อยึดเกาะบน TiO2 เพราะเกิดสารเชิงซ้อนกับไทเทเนียมไอออน

นอกจากนี้ยังมีงานวิจัยในต่างประเทศเก่ียวกับเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสงที่น่าสนใจ Gräetzel และคณะ (O’Regan and Grätzel,1991) ได้พัฒนาเซลล์ให้มีประสิทธิภาพสูงถึง

7% และในปีค.ศ.1993 มีประสิทธิภาพสูงถึง10% ในปัจจุบันศาสตราจารย์ Grätzel ได้พัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสงให้ประสิทธิภาพในการเปลี่ยนพลังงานแสงให้เป็นพลังงานไฟฟ้าสูงถึง 11.18 % โดยใช้สารกึ่งตัวน าเป็นผลึกนาโนไทเทเนียมไดออกไซด์ (TiO2) และสีย้อมไวแสงเป็นสารประกอบเซิงซ้อนของโลหะรูทิเนียมและลิแกนด์กลุ่มพิริดีน (Ru-pyridine complex) ดังนั้นท าให้เรียกเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดนี้อีกชื่อหนึ่งว่า“เซลล์แกรทเซล”(Grätzel Cells) สีย้อมกลุ่มนี้ได้แก่ N3 Dye และ Black Dye เหา และคณะ (Hao et.al, 2006) ได้ท าการศึกษาข้าวเหนียวด า (black rice), ดอกปาริฉัตร,ดอกโรซ่า แซนทินา (Rosa Xanthina) พริกและสาหร่ายทะเลมาสกัดด้วยแอลกอฮอล์แล้วท าให้สีย้อมบริสุทธิ์ขึ้นด้วย โครมาโทกราฟี น าสีย้อมมาทดลองท าเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง ได้ผลว่าสีย้อมจากข้าวเหนียวด าดีที่สุดเนื่องจากข้าวเหนียวด ามีแอนโทไซยานิน (Anthocyanin) ซึ่งยึดเกาะฟิล์ม TiO2 ได้ดี แอนโทไซยานิน ซึ่งพบได้ง่ายในดอกไม้และผลไม้ที่มีสีเข้มและคงทนในสภาพกรดสมบัติในการยึดเกาะอนุภาค TiO2 เกิดจากหมู่ไฮดรอกซีในโมเลกุล ได และราบานี (Dai and Rabani, 2001) ใช้รงควัตถุจากผลทับทิมในตัวกลางที่เป็นน้ า

กาเซีย และคณะ (Garcia et al,2003) ใช้รงควัตถุในลูกหว้า ลูกหม่อน กะหล่ าปลี โปโล และคณะ (Polo et al., 2006) ได้ศึกษาการใช้แอนโทไซยานินสีม่วงปนน้ าเงินจาก jaboticaba (Myrtus-cauliflora Mart) และ calafate (Berberies buxifolia Lam) คูมารา และคณะ (Kumara et al., 2006) ได้ศึกษาสีย้อมไวแสงที่สกัดจากใบต้นชิโซ (Shiso) อะเมา และคณะ (Amao et.al., 2004) ได้ศึกษาการน าอนุพันธ์ของคลอโรฟิลล์ที่ผ่านการไฮโดรไลซ์ ให้มีหมู่กรดอินทรีย์ซึ่งจับยึดTiO2 ได้ดมีาใช้เป็นสีย้อมไวแสง ยามาซากิ และคณะ (Yamazaki et.al., 2007) ใช้สารในกลุ่มแคโรทีนอยด์ (carotenoids) เป็นสีย้อม

8

การพัฒนาสู่เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง

เซลล์แสงอาทิตย์สามารถเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์ให้เป็นพลังงานไฟฟ้าหรือกระแสไฟฟ้า โดยตรงได้โดยอาศัยปรากฏการณ์โฟโตโวลทาอิก (Photovoltaic effect) ซึ่งถูกค้นพบครั้งแรกเมื่อปี ค.ศ.1839 โดย Antonie C’esar Becquerel นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส พบว่ามีกระแสไฟฟ้าเกิดขึ้นเมื่อมีแสงตกกระทบขั้วไฟฟ้าโลหะของเซลล์อิเล็กโทรไลต์ และในปี ค.ศ.1941 Russell Ohl ได้พัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดรอยต่อพีเอ็นของสารกึ่งตัวน าผลึกเดี่ยวซิลิกอนต่อมาในปีค.ศ.1954 Chapinและคณะ ได้ประดิษฐ์เซลล์แสงอาทิตย์ที่เป็นรอยต่อพีเอ็นของสารกึ่งตัวน าซิลิกอน เพ่ือใช้เป็นแหล่พลังงาน ของโครงการอวกาศ มีประสิทธิภาพเท่ากับ 4% และได้มีการพัฒนาให้มีประสิทธิภาพเท่ากับ11%หลักการ ท างานของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดนี้อาศัยการเกิดอิเล็กตรอน(electron,e) และโฮล (hole,h+) อิสระที่รอยต่อพีเอ็นของสารกึ่งตัวน าเมื่อมีแสงมาตกกระทบ (ภาพที่ 3) ดังนั้นเมื่อต่อวงจรไฟฟ้าภายนอกเข้ากับเซลล์แสงอาทิตย์ ก็จะเกิดการไหลของอิเล็กตรอนและโฮลอิสระเกิดเป็นไฟฟ้ากระแสตรง ซึ่งสามารถน าไปใช้ได้โดยตรงหรือเก็บส ารองไว้ในแบตเตอรี่ ปีค.ศ.1958 เซลล์แสง อาทิตย์ชนิดรอยต่อพีเอ็นของสารกึ่งตัวน าถูกน าไปใช้งานจริงเป็นครั้งแรก กับดาวเทียมแวนการ์ด I และปี ค.ศ.1960 บริษัท Hoffman Electronics สามารถผลิตเซลล์แสงอาทิตย์ที่มีประสิทธิภาพสูง ถึง 14% และหลังจากนั้นได้มีการพัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดนี้อย่างต่อเนื่องจนถึงปัจจุบัน (วินิช พรมอารักษ์ และคณะ,2552

ภาพที่ 3 เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดรอยต่อพีเอ็นของสารกึ่งตัวน า

เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดรอยต่อพีเอ็นของสารกึ่งตัวน า มีประสิทธิภาพในการให้กระแสไฟฟ้าสูง แต่ยังไม่ได้รับนิยมใช้อย่างแพร่หลาย เนื่องจากมีราคาแพง มีต้นทุนการผลิตสูง ต่อมาได้มีแนวความคิดสร้างเซลล์แสงอาทิตย์ที่ไม่อาศัยรอยต่อพีเอ็นของสารกึ่งตัวน า โดยสร้างรอยต่อสารกึ่งตัวน ากับของ เหลวแทน (ภาพที่ 4) เช่น เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดรอยต่อระหว่างสารกึ่งตัวน า n-CdSe กับสาร ละลายอิเล็กโตรไลต์ของ [Fe(CN)6]

3 / 4 หรือ Poly-chalcogenide เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดนี้ประกอบ ด้วยฟิล์มบางสารกึ่งตัวน าบนขั้วไฟฟ้าเคาน์เตอร์อิเล็กโทรด และสารละลายอิเล็กโตรไลต์ เมื่อแสงตกกระทบเซลล์ สารกึ่งตัวน าจะดูดกลืนแสงท าให้อิเล็กตรอนในแถบวาเลนซ์ถูกกระตุ้นขึ้นไปที่แถบการน าท าให้เกิดโฮลในแถบวาเลนซ์ซึ่งจะถูกชดเชยโดยอิเล็กตรอนจากสารละลายอิเล็กโตรไลต์

แสงอาทิตย ์

รอยต่อพีเอ็น

สารกึ่งตัวน าแบบ-เอ็น

สารกึ่งตัวน าแบบ-พี h

+

e-

e-

e-

9

ในขณะ เดียวกันอิเล็กตรอนในแถบการน าจะเคลื่อนที่ออกสู่วงจรภายนอกและสารละลายอิเล็กโตรไลต์จะรับอิเล็กตรอนคืนจากเคาน์เตอร์อิเล็กโทรด โดยกระบวนการทั้งหมดที่เกิดขึ้นนี้ท าให้เกิดการไหลของกระแสไฟฟ้าครบวงจร สมบัติที่ส าคัญของสารกึ่งตัวน าที่จะใช้ในเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดนี้คือต้องมีช่องว่างแถบ พลังงาน (Eg) อยู่ในช่วง 1-2 eV และเสถียรต่อแสง อุณหภูมิ ความชื้น รวมทั้งการเปลี่ยนแปลงค่า พีเอซ (pH) ของสารละลายอิเล็กโทรไลต์ เพ่ือไม่ให้โฮลที่เกิดขึ้นถูกท าลายได้ง่ายสารกึ่งตัวน าที่มีช่องว่างแถบพลังงานในช่วงที่ต้องการส่วนใหญ่จะเป็นสารในกลุ่ม n-CdSe หรือ InP แต่สารกึ่งตัวน าเหล่านี้เกิดปฏิกิริยากับน้ าหรือออกซิเจนได้ง่ายให้เป็นชั้นฟิล์มบางออกไซด์ที่มีสมบัติเป็นฉนวนและมีโฮลไม่เสถียร ดังนั้นแนวทางการพัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดนี้ จึงเน้นที่การสังเคราะห์สารกึง่ตัวน าที่มีช่องว่างแถบพลังงานแคบและมีโฮลที่เสถียร เช่น CdInSe หรือการใช้สารละลายอิเล็กโตรไลต์ ที่มีตัวท าละลายเป็นสารอินทรีย์ เป็นต้น ดังนั้นจึงน าไปสู่การพัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดรอยต่อสารกึ่งตัวน าและของเหลว ที่ใช้สารกึ่งตัวน าเป็นโลหะออกไซด์ที่มีแถบพลังงานกว้าง(มากกว่า 3 eV) แทนสารกึ่งตัวน าที่มีแถบพลังงานแคบโดยเคลือบผิวสารกึ่งตัวน าโลหะออกไซด์ ด้วยโมเลกุลสีย้อมไวแสง(Dye-sensitizer) ซึ่งท าหน้าที่ดูดกลืนแสงอาทิตย์แล้วส่งผ่านอิเล็กตรอนไปยังสารกึ่งตัวน า เรียกเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดนี้ว่า“เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง (Dye-sensitized solar cells,DSSC)

ข้อดีของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง คือ สารกึ่งตัวน าที่ใช้เป็นสารประกอบโลหะออกไซด์มีเสถียรภาพสูง ในช่วงการพัฒนาแรกเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดนี้ยังมีประสิทธิภาพต่ าและได้มีการพัฒนาเพ่ือเพ่ิมประสิทธิภาพของเซลล์อย่างต่อเนื่อง โดยเฉพาะศาสตราจารย์ Gräetzel และคณะ (O’Regan and Grätzel,1991) โดยในปี ค.ศ.1991 ได้พัฒนาเซลล์ให้มีประสิทธิภาพสูงถึง 7% และในปีค.ศ.1993 มีประสิทธิภาพสูงถึง10% ในปัจจุบันศาสตราจารย์ Grätzel ได้พัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสงให้ประสิทธิภาพในการเปลี่ยนพลังงานแสงให้เป็นพลังงานไฟฟ้าสูงถึง 11.18 % โดยใช้สารกึ่งตัวน าเป็นผลึกนาโนไทเทเนียมไดออกไซด์ (TiO2) และสีย้อมไวแสงเป็นสารประกอบเซิงซ้อนของโลหะรูทิเนียมและลิแกนด์กลุ่มพิริดีน (Ru-pyridine complex) ดังนั้นท าให้เรียกเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดนี้อีกชื่อหนึ่งว่า“เซลล์แกรทเซล”(Grätzel Cells) ดังภาพที่ 4

10

e-

e-

ภาพที่ 4 เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดรอยต่อสารกึ่งตัวน าและของเหลว ส่วนประกอบท่ีส าคัญของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง

เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสงมีองค์ประกอบที่ส าคัญ คือ กระจกน าไฟฟ้าโปร่งแสง สีย้อมไวแสง อนุภาคโลหะออกไซด์หรือสารกึ่งตัวน า และสารละลายอิเล็กโทรไลต์ หรือตัวส่งผ่าน ประจุบวก (ภาพที ่5) โดยแต่ละส่วนมีหน้าที่และสมบัติที่ส าคัญดังนี้

กระจกน าไฟฟ้าโปร่งแสง (Transparent Conducive Oxide Glass :TCO Glass)

ส่วนมากจะใช้กระจกชนิด FTO (F-SnO2) ซึ่งเป็นกระจกโปร่งใส่ที่เคลือบด้วยฟิล์มของดีบุกออกไซด์ที่ผ่านการเจือด้วยฟลูออร์ลีน(F) ที่มีสมบัติทางไฟฟ้าและสมบัติทางแสงที่ดีควบคู่กันโดยกระจกโปร่งแสงต้องมีสมบัติน าไฟฟ้าได้ดีและแสงสามารถทะลุผ่านได้ในปริมาณที่มาก ดังนั้นในการเลือกสารตั้งต้นเพ่ือน ามาเตรียมกระจกโปร่งแสงต้องพิจารณาสมบัติทั้ง 2 ข้อนี้เป็นส าคัญ และโดยทั่วไปสารที่จะน ามาใช้ควรเป็นสารที่ทีแถบช่องว่างพลังงานสูง แต่มีสภาพต้านทานต่ า แสงทะลุผ่านดี ซึ่งกระจกโปร่งแสงที่นิยมใช้กัน ได้แก่ กระจกโปร่งแสงทินออกไซด์(SnO2) กระจกโปร่งแสงอินเดียมออกไซด์(In2O3) กระจกโปร่งแสงอินเดียมทินออกไซด (ITO) กระจกโปร่งแสงของแคดเมียม สแตนเนส (Cd2SnO4) กระจกโปร่งแสงซิงก์ออกไซด์ (ZnO) เป็นต้น ซึ่งสารเหล่านี้สามารถปรับปรุงสมบัติทางไฟฟ้าและสมบัติทางแสงได้ด้วยการเติมสารผสม

e-

แถบการน า อิเล็กโทรไลต ์

แถบวาเลนซ ์ รีดอกซ ์

สารกึ่งตัวน า เคาน์เตอร์อิเล็กโทรด

แสง

e-

h +

11

อนุภาคโลหะออกไซด์หรือสารกึ่งตัวน า (Semiconductor Layer) เป็นสารกึ่งตัวน าโลหะออกไซด์ ท าหน้าที่รับและส่งผ่านอิเล็กตรอนที่มีช่องว่างแถบพลังงาน

กว้าง(มากกว่า3 eV) ส่วนใหญ่ที่นิยมน ามาใช้ คือ ฟิล์มไทเทเนียมไดออกไซด์ (TiO2) แบบมีรูพรุน โดยผลึกมีขนาดระดับนาโนเมตรและมีโครงสร้างผลึกเป็นแบบอะนาเทส (Anatase) ส าหรับการเกาะยึดของโมเลกุลสีย้อมไวแสง ยิ่งมีพ้ืนที่ผิวมากยิ่งดีเพราะความพรุนท าให้โมเลกุลสีย้อมไวแสงเกาะยึดได้มาก

สีย้อมไวแสง (Sensitizing dye) สีย้อมไวแสง ท าหน้าที่ดูดกลืนพลังงานแสงอาทิตย์และส่งผ่านอิเล็กตรอนให้กับอนุภาคโลหะ

ออกไซด์ เมื่อสีย้อมไวแสงได้รับพลังงานแสงโมเลกุลของสีย้อมไวแสงที่อยู่ชั้น HOMO จะถูกกระตุ้นให้ไปอยู่ที่ชั้น LUMO หลังจากนั้นอิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นในชั้น LUMO จะถูกฉีดเข้าไปในชั้นกระจกน าไฟฟ้าของสารกึ่งตัวน าสีย้อมไวแสงต้องมีระดับพลัง LUMO สูงกว่าระดับชั้นกระจกน าไฟฟ้าของสารกึ่งตัวน าและสารที่ยึดเกาะกับอนุภาคสารกึ่งตัวน า TiO2 ด้วยพันธะ -HO หรือ = O ดังนั้นจะต้องมีสมบัติที่ส าคัญ เช่น มีสเปกตรัมการดูดกลืนแสงกว้างในช่วงความยาวคลื่นที่ตามองเห็นและใกล้อินฟาเรด เพ่ือดูดกลืนแสงอาทิตย์ให้ได้มากที่สุดมีค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงสูงเพ่ือเพ่ิมประสิทธิภาพการจับแสงโฟตรอนที่ตกกระทบมีคุณสมบัติของสภาวะพ้ืนและสภาวะกระตุ้นที่เหมาะสม มีเสถียรภาพสูงในสภาวะถูกออกซิไดส์และสามารถยึดเกาะบนผิวอนุภาคโลหะออกไซด์ได้ดีสารกึ่งตัวน าที่มีระดับแถบการน าไฟฟ้าสูงกว่าระดับ LUMO ของสีย้อมไวแสง เมื่อสีย้อมไวแสงได้รับพลังงานจากแสงอาทิตย์จะไม่สามารถฉีดอิเล็กตรอนเข้าไปในแถบการน าไฟฟ้าของสารกึ่งตัวน าได้ ในปัจจุบันได้มีการสังเคราะห์ สีย้อมหลายกลุ่ม เช่น Porphyrins, Phthlocyanine, Coumarin 343,Carboxylated ที่พัฒนามาจาก Anthracene และPolymaric-Flim และที่ได้รับความนิยมสูงสุดคือ กลุ่มของTransition Metal Complexes (วินิช พรมอารักษ์ และคณะ, 2552)

สารละลายอิเล็กโทรไลต์หรือตัวส่งผ่านประจุบวก (Electrolyte solution) สารอิเล็กโทรไลต์ชนิดรีดอกซ์ (Redox electrolyte) ท าหน้าที่แลกเปลี่ยนอิเล็กตรอนที่เดิน

ทางมาจากภายนอกให้กลับสู่โมเลกุลสีย้อมอาจเป็นของเหลว เจล หรืออยู่ในรูปอ่ืนๆ สารละลาย อิเล็กโทรไลต์เหลวที่นิยมใช้กัน ประกอบด้วยตัวท าละลายอินทรีย์ เกลือไอโอไดด์และไอโอดีน

12

ชั้นตัวเร่งปฏิกิริยา (Catalyte) ส่วนมากจะใช้โลหะแพลทินัม(Pt) เคลือบบนกระจกFTO ที่ขั้วแคโทด ท าหน้าที่เป็นตัวกระตุ้น

และลดศักย์ไฟฟ้าที่มากเกินไปในรูปปฏิกิริยาTri-iodide กับ Iodide (I-3 + 2e-3I-) โดยจะรับ

อิเล็กตรอนจากวงจรภายนอกมาส่งให้สารละลายอิเล็กโทรไลต์ เพ่ือส่งอิเล็กตรอนคืนให้สีย้อมไวแสง เมื่อแสงส่องผ่านมากระทบสีย้อมไวแสง อิเล็กตรอนในโมเลกุลสีย้อมไวแสงที่ถูกกระตุ้นไปที่ระดับพลังงานสูงก็จะส่งกระแสไฟฟ้าขั้วลบผ่านผลึกTiO2 ที่สีย้อมไวแสงเคลือบอยู่แล้วเคลื่อนไปสู่ขั้วไฟฟ้า ใต้แผ่นกระจกด้านรับแสงจึงให้กระแสไฟฟ้าขั้วลบ เมื่อผ่านวงจรภายนอกแล้วเคลื่อนผ่านเข้ามาบนกระจกน าไฟฟ้าด้านล่างชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาก็จะช่วยส่งอิเล็กตรอนผ่านสารละลายอิเล็กโทรไลต์และกลับสู่ สีย้อมไวแสง ดังภาพที่ 5

ภาพที่ 5 โครงสร้างของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง

13

หลักการท างานของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง

เมื่อโมเลกุลของสีย้อมไวแสงดูดกลืนพลังงานแสงจากดวงอาทิตย์ไว้เพ่ือใช้ในการกระตุ้น

อิเล็กตรอนให้มีพลังงานที่สูงขึ้น จากนั้นอิเล็กตรอนจะถูกฉีดเข้าสู่แถบการน าของผลึก TiO2 แล้วเคลื่อนที่ผ่าน ชั้นฟิล์มไทเทเนียมไดออกไซด์ไปยังขั้วไฟฟ้า FTO (ขั้วไฟฟ้าลบ) เมื่อมีการต่ออุปกรณ์ไฟฟ้ากับเซลล์แสงอาทิตย์ อิเล็กตรอนดังกล่าวจะเคลื่อนที่ไปยังเครื่องใช้ไฟฟ้าและเคลื่อนที่กลับเข้าสู่เซลล์แสงอาทิตย์ทางขั้วไฟฟ้าบวกไปสะสมยังแผ่นฟิล์มแพลทินัม จากนั้นอิเล็กตรอนจะกลับเข้าสู่โมเลกุลของสีย้อมโดยผ่านสารละลายอิเล็กโทรไลต์ชนิดรีดอกซ์ ที่เกิดจากการปรับเปลี่ยนไอออนของไอโอดีนบริเวณรอยสัมผัสระหว่างสารละลายอิเล็กโทรไลต์และแผ่นฟิล์มแพลทินัมที่อิเล็กตรอนสะสมอยู่เกิดเป็นกระแสไฟฟ้าไหลครบวงจรในทิศทางตรงกันข้ามกับการเดินทางของอิเล็กตรอน ดังภาพที่ 6

ภาพที่ 6 หลักการท างานของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง ปฏิกิริยาหลักท่ีเกิดขึ้นคือ

ปฏิกิริยาที่ข้ัวแอโนด S0 + hV S* : การดูดกลืนแสง S* S+ + e- (ให้โลหะออกไซค์) : การส่งผ่านอิเล็กตรอน

ปฏิกิริยาที่ข้ัวแคโทด S+ + อิเล็กโตรไลต์ (I-) S0 + อิเล็กโตรไลต์ (I3

-) : การสร้างใหม่ของสีย้อม อิเล็กโตรไลต์ (I3

-) + e- (จากข้ัวแพลททินัม) อิเล็กโตรไลต์ (I-)

ปฏิกิริยารวม e- (จากข้ัวแพลทินัม) + hV e- (ให้โลหะออกไซค์)

S*

S0/S+

14

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200

Wavelength(nm)

Sp

ectr

al

Irra

dia

nce (m

W/c

m2/n

m)

Super Solar SimulatorAM 1.5

ประสิทธิภาพเซลล์แสงอาทิตย์ ความเข้มของแสงอาทิตย์ที่ตกกระทบถึงผิวโลกสามารถอธิบายได้ในรูปของมวลอากาศ

(Air Mass,AM) ปริมาณแสงอาทิตย์ในอากาศที่เราสามารถวัดได้จะมีค่าคงที่เรียกว่า Solar Constant ซึ่งมีค่าเท่ากับ1,365 W/m2 โดยเมื่อแสงแดดผ่านชั้นบรรยากาศโลก30% จะสะท้อนกลับและอีก20% จะถูกดูดด้วยเมฆ ฝุ่น ก๊าซเรือนกระจก คาร์บอนไดออกไซด์ และชั้นโอโซน เมื่อแสงเดินทางผ่านชั้นบรรยากาศเป็นระยะทางมากขึ้นความเข้มแสงก็จะลดลงเป็นล าดับ โดยตามทฤษฎีแล้วจะลดลงแบบเอกซ์โพเนนเชียล (Exponentional) ส่งผลให้ในวันเดียวกันเราจะสังเกตเห็นความเข้มของแสงเปลี่ยนไปทั้งนี้ความเข้มของแสงจะมีค่ามากที่สุดเมื่อดวงอาทิตย์อยู่ตรงกลางฟ้าพอดี เราสามารถบอกลักษณะความเข้มของแสงแดดได้ ตามระยะทางที่แสงเดินทางผ่านบรรยากาศ โดยค่าความเข้มแสงที่สูงที่สุดที่สังเกตได้บนผิวโลก เรียกว่าค่ามวลอากาศ 1 (Air Mass 1 = AM1) ดังนั้นแสงอาทิตย์ที่ไม่ผ่านชั้นบรรยากาศโลก จะเรียกว่า ค่ามวลอากาศ 0 (AM0)

ค่ามวลอากาศมีความสัมพันธ์กับมุมที่แสงอาทิตย์กระท ากับเส้นตั้งฉากที่ผิว ถ้ามุมดังกล่าวคือ ค่ามวลอากาศจะมีค่าเท่ากับ

cos

1 เนื่องจากกระแสไฟฟ้าของเซลล์แสงอาทิตย์ เป็นสัดส่วน

โดยตรงกับความเข้มแสงเมื่อความเข้มแสงสูงกระแสไฟฟ้าที่ได้จากเซลล์แสงอาทิตย์ก็จะสูงขึ้นด้วย ในขณะที่แรงดันไฟฟ้าแทบจะไม่แปรผันไปตามความเข้มของแสงมากนักแต่จะแปรตามอุณหภูมิเล็กน้อย American Society for Testing and Materials (ASTM) ได้ก าหนดมาตรฐานความเข้มสเปกตรัมของแสง โดยได้ท าการก าหนดในที่ขณะอากาศปลอดโปร่งปราศจากเมฆหมอกและวัดที่ระดับน้ าทะเลในสภาพที่แสงอาทิตย์ตั้งฉากกับพ้ืนโลกซึ่งความเข้มแสงที่ได้จะมีค่าเท่ากับ1,000 W/m2 หรือ 100 mW/cm2 นั่นเอง ซึ่งเท่ากับ AM 1.5 และได้ก าหนดสเปกตรัมแสงมาตรฐาน ดังภาพที่ 7

ภาพที่ 7 สเปกตรัมของแสงมาตรฐานที่ ASTM ก าหนด

15

ประสิทธิภาพการเปลี่ยนพลังงานแสงเป็นพลังงานไฟฟ้าของเซลล์แสงอาทิตย์ จึงขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นแสง โดยประสิทธิภาพการเปลี่ยนพลังงานแสงเป็นพลังงานไฟฟ้า(Incident Photon to Current Conversion Efficiency, IPCE) หรือบางครั้งเรียกว่าประสิทธิภาพควอนตัมภายนอก3

เมื่ออิเล็กตรอนที่สูญเสียพลังงานให้กับวงจรภายนอกได้กลับเดินทางคืนมาสู่เซลล์ผ่านทางขั้วเคาน์เตอร์อิเล็กโทรด ที่ถูกเชื่อมกับวงจรภายในของเซลล์แสงอาทิตย์ ผลรวมของกระแสไฟฟ้า(I)ซึ่งเป็นผลลัพธ์ของสองขั้วไฟฟ้าค านวณได้จาก I = IP+ID

ซ่ึง IP คือ Photo generated Current ID คือ Dark current

ค่ากระแสรวมสูงสุดได้รับมาจากเงื่อนไขของ Short Circuit Density (Jsc) 0 VE เห็นได้จากกราฟ J-V (Current-Voltage Curve) ภายใต้แสงอาทิตย์ ส่วนค่า Open-Circuit Voltage (Voc) จะเป็นปฏิภาคกับพลังงานที่แตกต่างระหว่างระดับพลังงานเฟอร์มิ (Fermi) ของสารกึ่งตัวน าและระดับพลังงานของ Electrolyte Redox Couple ก าลังสูงสุดสามารถค านวณได้จาก Pmax = Jmax Vmax ซึ่งเป็นพ้ืนที่สี่เหลี่ยม (J-V) ดังภาพที่ 8 และจากจุดทีม่ีก าลังสูงสุด ค่า Fill Factor (FF) สามารถค านวณได้ ซึ่งเป็นข้อมูลจากการวัดของคุณภาพของอุปกรณ์ท่ีใช้ เมื่อ Pmax คือ ค่าก าลังไฟฟ้าสูงสุดของเซลล์แสงอาทิตย์ Jsc คือ ค่ากระแสไฟฟ้าลัดวงจร Voc คือ ค่าศักย์ไฟฟ้าวงจรเปิด

Jmax คือ ค่ากระแสไฟฟ้าที่มีก าลังสูงสุด Vmax คือ ค่าศักย์ไฟฟ้าที่มีก าลังสูงสุด (open circuit voltage)

FF = ocscVJ

VJ maxmax

Pmax

Vmax Voc

ภาพที่ 8 กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างความหนาแน่นกระแสกับความต่างศักย์ไฟฟ้า

ของเซลล์แสงอาทิตย์ภายใต้การฉายแสง

Jma

x

Jsc

J

16

Rs

Rsh V

JSC

Jdark

ความเป็นจริงแล้วเซลล์แสงอาทิตย์มีการสูญเสียพลังงานเนื่องจากความต้านทานที่ผิวสัมผัสระหว่างสารกึ่งตัวน ากับสีย้อมและการสูญเสียของกระแสอิเล็กตรอนแก่ขั้วไฟฟ้าของเซลล์แสงอาทิตย์ ดังนั้นเราต้องพิจารณาความต้านทานภายในของเซลล์แสงอาทิตย์ซึ่ง ได้แก่ ความต้านทานอนุกรม (Rs) และความต้านทานขนาน (Rsh) ซึ่งสามารถแสดงวงจรได ้ดังภาพที่ 9

Light

+

ภาพที่ 9 วงจรสมมูลของเซลล์แสงอาทิตย์

ส าหรับ Rs นั้นเกิดขึ้นเนื่องจากสารแต่ละชนิดมีค่าสภาพการน ากระแสไฟฟ้าที่ต่างกันโดยเฉพาะที่ผิวของสารนั้นและเกิดขึ้นเนื่องมาจากรอยต่อระหว่างอนุภาคของสาร โดยความต้านทานนี้จะมีผลกระทบอย่างมากต่อเซลล์ที่มีกระแสไฟฟ้าสูงส าหรับ Rsh นั้นเกิดจากการสูญเสียกระแสไฟฟ้าให้แก่ขั้วไฟฟ้าและบริเวณรอยต่อของสารที่มีข้ัวต่างกัน ดังนั้นทั้ง Rs และRsh มีผลต่อค่า FF ดังภาพที่ 9 ส าหรับเซลล์แสงอาทิตย์ที่ต้องการประสิทธิภาพสูงจ าเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องมีค่า Rs น้อยๆ และมีค่า Rsh มากๆ ซึ่งจะเป็นผลท าให้เซลล์แสงอาทิตย์มีค่า FF มาก การพัฒนาสีย้อมไวแสง

แนวทางการพัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสงให้มีประสิทธิภาพรวมสูงขึ้นสรุปได้ดังนี้ 1. พัฒนาโมเลกุลสีย้อมไวแสง ที่มีความสามารถในการดูดกลืนแสงตลอดช่วงความยาวคลื่น

แสง ตาเห็นจนถึงช่วงใกล้อินฟราเรด (near IR) เพ่ือเพ่ิมจ านวนอิเล็กตรอนในสภาวะเร้าให้มากที่สุดสามารถจ าแนกกลุ่มสีย้อมไวแสงได้ดังนี้

1.1 กลุ่มสีย้อมไวแสงจ าพวกสารประกอบเชิงซ้อนของโลหะรูธิเนียมกับลิแกนด์โพลี-

ไพริดีน สีย้อมกลุ่มไวแสงกลุ่มนี้ได้รับความสนใจและศึกษาพัฒนามาอย่างกว้างขวางเนื่องจากรูธิเนียมเป็นโลหะ มีความต่างศักย์รีดอกซ์สูง เหมาะส าหรับการกระตุ้นอิเล็กตรอนและส่งผ่านอิเล็กตรอนไปยังอนุภาคนาโนของสารกึ่งตัวน าโลหะออกไซด์ได้ดี Grätzel และคณะ (O’Regan and rätzel,1991; Nazeeruddin et al.,1997;Nazeeruddin et al.,2003;Cherepyet al.,1997) โดยสังเคราะห์สาร

17

ประกอบเชิงซ้อนของโลหะรูธิเนียมกับลิแกนด์โพลีไพริดีนหรืออนุพันธ์ของโพลีไพริ-ดีน โดยลิแกนด์โพลีไพริดีนจะมีหมู่ฟังก์ชันคาร์บอกซิล(-COOH) เป็นส่วนประกอบของโมเลกุลและมีความสามารถดูดซับบนพ้ืนผิวของโลหะออกไซด์ได้ดี ตัวอย่างสีย้อมไวแสงกลุ่มนี้ ได้แก่ N3 Dye และBlack Dye พบว่าเซลล์แสงอาทิตย์ที่ใช้สีย้อมไวแสงกลุ่มนี้ให้ประสิทธิภาพรวมสูงถึง 10.4% มีค่าใกล้เคียงกับ เซลล์แสงอาทิตย์แบบรอยต่อพีเอ็นของสารกึ่งตัวน า นอกจากนี้ได้มีการพัฒนาสารประกอบเชิงซ้อนของโลหะรูธิเนียมกับลิแกนด์โพลีไพริดีน โดยสังเคราะห์สารประกอบเชิงซ้อนโมเลกุล 3 และ4 ที่มีหมู ่ลิแกนด์ไพร์โรลและไธโอฟีน เพ่ิมขึ้นมาแม้ว่าการใช้สารประกอบเชิงซ้อนกลุ่มโลหะรูธิ เนียมกับลิแกนด์โพลีไพริดีนจะให้ประสิทธิภาพรวมสูงแต่ยังมีข้อจ ากัดหลายประการ เช่น มีช่วงการดูดกลืนคลื่นแสงอาทิตย์ที่แคบการสังเคราะห์และท าให้บริสุทธิ์ยากและมีราคาแพงจึงมีการศึกษาและทดลองใช้สีย้อมไวแสงชนิดอื่นๆแทน ดังภาพที1่0

ภาพที่ 10 สีย้อมไวแสงกลุ่มสารประกอบเชิงซ้อนของโลหะรูธิเนียมกับลิแกนด์โพลีไพริดีน

1.2 กลุ่มสีย้อมไวแสงสารอินทรีย์ เป็นการน าสารอินทรีย์ที่มีอยู่ในธรรมชาติหรือ สังเคราะห์ข้ึนมาใช้เป็นสีย้อมไวแสงส่วนใหญ่เป็นโมเลกุลที่มีพันธะคู่สลับกับพันธะเดี่ยวต่อกันยาวและมีหมู่ฟังก์ชันที่มีความเป็นขั้วสูง ตัวอย่างสีย้อมไวแสงสารอินทรีย์ เช่น โมเลกุล Coumarin based NKX2677, Flavonoid anthocyanin dye และ Xanthene dye เป็นอนุพันธ์ของเคามาริน(Coumarin) พบว่าให้ประสิทธิภาพรวมประมาณ 7.7% นอกจากนี้ยังมีสารกลุ่มเพอริลีน (Perylene dye) ให้ประสิทธิภาพรวมใกล้เคียงกันกับอนุพันธ์ของเคามาริน แม้ว่าสีย้อมไวแสงสารอินทรีย์ให้ประสิทธิภาพรวมต่ ากว่ากลุ่มสารประกอบเชิงซ้อนของโลหะรูธิเนียมแต่ยังคงได้รับความสนใจและศึกษาพัฒนามาอย่างต่อเนื่อง เพราะมีราคาถูก สังเคราะห์ได้ง่ายและมีความเป็นพิษต่ า ดังภาพที่ 11

N3 Dye Black Dye

18

ภาพที่ 11 สีย้อมไวแสงกลุ่ม Coumarin based NKX-2677, Flavonoid anthocyanin dye,

Xanthene dye, Perylene dye

1.3 กลุ่มสีย้อมไวแสงพอร์ไพริน (Porphyrin) สีย้อมชนิดนี้พัฒนามาจากโมเลกุลของ คลอโรฟิลล์ซึ่งเป็นโครโมฟอร์ที่ส าคัญในกระบวนการสังเคราะห์แสงของพืช โดยในปีค.ศ.1993 Grätzel (Kay et al.,1993) ได้สังเคราะห์อนุพันธ์พอร์ไพริน เพ่ือทดสอบประสิทธิภาพของการดูดกลืนแสง บนตัวดูดซับไทเทเนียมไดออกไซด์ พบว่า สีย้อมไวแสง Cu-MP ให้ประสิทธิภาพรวมเท่ากับ 2.6% ในปีค.ศ.1996 Boschloo และ Goossens (Boschloo and Goossens,1996) ได้สังเคราะห์พอร์-ไพริน Zn-TCPP พบว่าให้ประสิทธิภาพรวมประมาณ1.1% ต่อมาในปี ค.ศ.2000 Cherian และWamser (Cherian and Wamser, 2000) ใช้ TCPP ซึ่งเป็นอนุพันธ์ของ Zn-TCPP แต่ปราศจากโลหะสังกะสีเป็นโมเลกุลสีย้อมไวแสง พบว่าให้ประสิทธิภาพรวมเพ่ิมเป็น 3.5% และในปี 2004 (Campbell et al., 2004) สังเคราะห์พอร์ไพริน Meso-linkes สาร Zn-1a , Zn-1b และZn-1c พบว่าให้ประสิทธิภาพรวมของ Zn-1b สูงถึง 4.2% แม้ว่าประสิทธิภาพรวมของสีย้อมกลุ่มพอร์ไพรินจะมีค่าต่ ากว่าของสีย้อมกลุ่มสารประกอบเชิงซ้อนของโลหะรูธิเนียมมาก แต่การสังเคราะห์สีย้อมไวแสงพอร์ไพรินสามารถปรับเปลี่ยนหมู่ฟังก์ชันภายในโมเลกุลได้ง่ายและมีแนวโน้มในการเพ่ิมประสิทธิภาพไปในทางท่ีดีขึ้นท าให้ในปัจจุบันสีย้อมไวแสงพอร์ไพริน ได้รับความสนใจและมีการศึกษาอย่างต่อเนื่อง ดังภาพที่ 12

Coumarin based NKX-2677

Flavonoid anthocyanin dye

Xanthene dye Perylene dye Perylene dye

19

ภาพที่ 12 สีย้อมไวแสงพอร์ไพริน Zn-TCPP, TCPP, Zn-1a, Zn-1b และ Zn-1c การพัฒนาระบบอิเล็กโทรไลต์ที่มีประสิทธิภาพสูงเพ่ือเพ่ิมค่าแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดให้มีค่า

ใกล้เคียงกับค่าทางทฤษฎี ระบบอิเล็กโตรไลต์เป็นส่วนส าคัญที่ต้องได้รับการพัฒนาเช่นกัน (Bin Li et al., 2006) เพ่ือให้เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสงให้ประสิทธิภาพสูงส าหรับผลิตในเชิงการค้าในระยะเริ่มแรกระบบอิเล็กโตรไลต์ เป็นระบบที่เตรียมได้ง่ายไม่ยุ่งยาก คือ อิเล็กโตรไลต์ของเหลว มีส่วน ประกอบของคู่ปฏิกิริยารีดอกซ์ของไอโอไดด์/ไตรไอโอไดด์ (I-/I3

-) ที่ละลายอยู่ในตัวท าละลายอินทรีย์ เช่น อะซีโตรไนไตร์ โพรพิโอไนไตร ์เมทรอกซีอะซีโตรไนไตร์ โพรพีลีนคาร์บอเนต เป็นต้น

ในปัจจุบันอิเล็กโตรไลต์ชนิดนี้สามารถให้ประสิทธิภาพรวมของเซลล์สูงกว่า 10 % เนื่องจาก มีประสิทธิภาพในการส่งผ่านของไอออนที่รวดเร็วแต่มีข้อเสียคือตัวท าละลายที่ใช้ระเหยง่ายจึงท าให้เกิดปัญหาการหายไปหรือรั่วซึมของสารละลายออกจากตัวเซลล์แสงอาทิตย์ส่งผลให้ประสิทธิภาพรวม อายุการใช้งานและความคงทนของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสงลดลง ซึ่งถือว่าเป็นปัญหาที่ส าคัญส าหรับเซลล์ที่ใช้ระบบอิเล็กโตรไลต์ของเหลว จากปัญหาดังกล่าวน าไปสู่ระบบอิเล็กโตรไลต์ของเหลวไอออนิก ที่มีจุดเดือดสูงขึ้นมีการน าไฟฟ้าที่ดีมีความเสถียรต่อสารเคมีและความร้อนที่ดีและไม่ติดไฟระบบอิเล็กโตรไลต์ของเหลวไอออนิกที่นิยมใช้คือสารประกอบของ Imidazolium แม้ว่าระบบอิเล็กโตรไลต์นี้จะสามารถแก้ไขปัญหาการระเหยได้แต่ยังมีปัญหาการรั่วซึมอยู่และให้กระแสไฟฟ้าลัดวงจรต่ ากว่าระบบอิเล็กโตรไลต์ของเหลว เพราะมีความหนืดสูงท าให้ไอออนไอโอไดด์แพร่ตัวได้ช้าส่งผลให้ประสิทธิภาพของเซลล์ที่ได้ยังไม่สูงมากนัก (2-4%) ต่อมามีรายงานว่าระบบอิเล็กโตรไลต์ 1-methyl-3-propylimidazolium iodide, 1-methyl-3-ethylimidazolium dicyanamide และ lithium iodide ให้ประสิทธิภาพรวมสูงขึ้นเป็น 6.6 % เมื่อน าไปประกอบรวมกับเซลล์ที่ใช้สีย้อมไวแสงกลุ่มสารประกอบเชิงซ้อนโลหะรูธิเนียม การเติม Lithium iodide สามารถเพ่ิมประสิทธิภาพรวมอย่างมีนัยส าคัญเนื่องจากการเพิ่มขึ้นของ Electron injectionyield และ Dye regeneration rate ท าให้ค่าการน าไฟฟ้าของอิเล็กโตรไลต์เพ่ิมขึ้นและมีการพัฒนาระบบอิเล็กโตรไลต์อย่างต่อเนื่อง เช่น ระบบอิเล็กโตรไลต์ที่ปราศจากตัวท าละลายของคู่ปฏิกิริยารีดอกซ์ SeCN-/(SeCN)3- ซึ่งมีความหนืดที่ต่ ากว่าระบบอิเล็กโตรไลต์ ที่ใช้ Imidazolium iodide มาก (ประมาณ 45 เท่า) ให้ประสิทธิภาพรวมของเซลล์สูงมากถึง7.5–8.3% ภายใต้แสงอาทิตย์จ าลองความเข้มแสง AM1.5

Zn-TCPP M=Zn TCPP M=2H Zn-1a X=CH3

Zn-1b X=H Zn-1c X=t-Bu

20

นอกจากนี้ระบบอิเล็กโตรไลต์ อีกระบบที่ได้รับการพัฒนาขึ้นมา คือ พอลิเมอร์อิเล็กโตรไลต์ มีจุดเด่นส าคัญคือการน าพาไอออนที่สูงกว่าของไหลและสามารถแข็งตัวได้ง่ายโดยพอลิเมอร์อิเล็กโตรไลต์ มีลักษณะเป็นเจล ทีม่ีโครงสร้างแบบโครงร่างแหสามมิติ เพ่ือเพ่ิมผิวสัมผัสระหว่างอิเล็กโตรไลต์แบบแข็งและชั้นรูพรุนระดับนาโนของอนุภาคนาโนโลหะออกไซด์ขึ้นรูปได้ง่ายและไม่มีขั้นตอนซับซ้อน ปัจจุบันนิยมใช้Poly (Ethyleneglycol)(PEG) และ Poly (Ethylene oxide) (PEO) เป็นพอลิเมอร์อิเล็กโตรไลต์ พบว่า การใช้ประโยชน์พอลิเมอร์ร่างแหแบบเจลของ PEO segments ในการท าโคพอลิเมอร์อิเล็กโตรไลต์ ให้ประสิทธิภาพเซลล์สูงสุดเท่ากับ 8.1% ภายใต้แสงอาทิตย์จ าลองความเข้มแสง AM1.5 และสามารถเพ่ิมประสิทธิภาพของเซลล์โดยการเพ่ิมความหนาของชั้นอนุภาคนาโนโลหะออกไซด์ การปรับปรุงสัดส่วนความหนืดและค่าคงที่ ไดอิเล็กตริกของตัวท าละลายและสามารถเติม Oligomers หรือ Plasticizers อสัณฐานเข้าไปในอิเล็กโตรไลต์พอลิเมอร์เพ่ือเพ่ิมการน าพาไอออนและเพ่ิมพ้ืนที่ผิวสัมผัสระหว่างอนุภาคสีย้อมไวแสงกับพอลิเมอร์อิเล็กโตรไลต์ นอกจากนั้นได้มีการพัฒนาอิเล็กโตรไลต์เจลแบบนาโนคอมพอสิท พบว่าให้ประสิทธิภาพสูง ถึง 7% นอกจากระบบอิเล็กโตรไลต์ที่กล่าวมาข้างต้นยังมีระบบอิเล็กโตรไลต์อีกระบบที่น่าสนใจ คือ ระบบอิเล็กโตรไลต์ฟิล์มบาง(Thin-film solid-electrolytes)หรือตัวส่งผ่านประจุบวก (Hole conductors) โดยจะเป็นสารอินทรีย์ที่มีสมบัติเป็นตัวส่งผ่านประจุบวก เช่น โมเลกุลคาร์บาโซล (Carbazole) อิเล็กโตรไลต์ ระบบนี้จะไม่มีปัญหาการรั่วซึมของอิเล็กโตรไลต์และมีอายุการใช้งานนาน (วินิช พรมอารักษ์ และคณะ,2552)

1.4 พัฒนาโครงสร้างจุลภาคของสารกึ่งตัวน าโลหะออกไซด์ เพ่ือให้มีระยะทางการ

แพร่ของอิเล็กตรอนเพ่ิมขึ้นสามารถท าได้โดยเปลี่ยนลักษณะรูปร่างของโลหะออกไซด์ที่ใช้จากที่เป็นอนุภาคนาโน (Nanoparticle) ให้อยู่ในรูปของลวดนาโน (Nanowire) แทนเพ่ือให้ประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสงสูงสุด ชั้นอนุภาคนาโนของสารกึ่งตัวน าโลหะออกไซด์จะต้องมีเสถียรภาพสูงมีพลังงานแถบช่องว่าง (Eg) ที่กว้างมีพ้ืนที่ผิวมากเพ่ือให้โมเลกุลสีย้อมยึดเกาะได้ ในปริมาณมากมีการกระจายตัวของรูพรุนสม่ าเสมอเพ่ือให้การแพร่ผ่านของไอออนอิเล็กโตรไลต์ได้ดีและแต่ละอนุภาคจะต้องเชื่อมติดกันอย่างต่อเนื่องเพ่ือให้อิเล็กตรอนสามารถแพร่ผ่านได้ดี อนุภาคนาโนของสารกึ่งตัวน าที่กลุ่มของ Grätzel (O’Regan and Grätzel, 1991) เลือกใช้ในการเตรียมเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสงครั้งแรก คือ อนุภาคผลึกนาโนไทเทเนียมไดออกไซด์ เป็นสารกึ่งตัวน าที่มีพลังงานแถบช่องว่างกว้างประมาณ 3.2 eV มีเสถียรภาพสูงในการพัฒนาประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง ได้มีความพยายามเปลี่ยนอนุภาคนาโนไทเทเนียมไดออกไซด์เป็นอนุภาคนาโนของสารกึ่งตัวน าที่มีพลังงานแถบช่องกว้างชนิดอ่ืนๆ แทน เช่น ทินออกไซด์ (SnO2) ซิงค์ออกไซด์ (ZnO) ไนโอเบียมออกไซด์ (Nb2O5) และสตรอนเชียมไททาเนต (SrTiO3) เป็นต้น นอกจากนี้ยังมีการใช้สารกึ่งตัวน าผสมระหว่างทินออกไซด์กับซิงค์ออกไซด์พบว่าเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสงที่มีสีย้อมชนิด N3 ให้ประสิทธิภาพรวมเท่ากับ 8 % ที่ความเข้มแสง 90 mW/cm2

ในปัจจุบันอนุภาคนาโนไททาเนียมไดออกไซด์ ยังคงเป็นสารกึ่งตัวน าที่ท าให้เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง มีประสิทธิภาพรวมสูงสุดตัวอย่างประสิทธิภาพรวมของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง

21

ที่ใช้อนุภาคนาโนของสารกึ่งตัวน าชนิดต่างๆ ดังสรุปในตารางที่ 1 นอกจากการเปลี่ยนชนิดของสารกึ่งตัวน าแล้วแนวทางหนึ่งส าหรับการเพ่ิมประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสงคือ การปรับเปลี่ยนโครงสร้างจุลภาคของสารกึ่งตัวน าทั้งเพ่ือเป็นการเพ่ิมพ้ืนที่ผิวเพ่ือให้ปริมาณโมเลกุลของ สีย้อมไวแสงสามารถยึดเกาะได้มากขึ้นท าให้มีการกระจายตัวของช่องว่างระหว่างอนุภาคอย่างสม่ าเสมอและเพ่ิมระยะทางการแพร่ของอิเล็กตรอนให้มากข้ึน

ตารางท่ี 1 ประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง

สารกึ่งตัวน า สีย้อม Jsc(mA/cm2) Vœ(V) (%) ความเข้มแสง(mW/cm2)

TiO2 RuI2( -CN)Ru(CN)L”2)2 12.0 0.60 7.1 100(AM1.5)

TiO2 Black Dye 20.5 0.72 10.4 100(AM1.5) TiO2 N3 18.0 0.72 10.0 100(AM1.5) TiO2 A natural cyanin-dye 1.5 0.40 0.56 100(AM1.5)

SnO2 /ZnO N3 22.8 0.67 8.0 90(directsunlight) ZnO mercurochrome 7.4 0.52 2.5 99(AM1.5)

Nb2O5 N3 4.9 0.63 2.0 100(AM1.5) ZnO N3 4.2 0.46 2.0 56

L = 2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylic L'' = 2,2'-bipyridine ในปี ค.ศ.2005 Law และคณะ (Law et al., 2005) พบว่า เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อม

ไวแสงที่ใช้สีย้อมไวแสง N719 ดูดซับบนลวดนาโนซิงค์ออกไซด์ มีประสิทธิภาพรวมใกล้เคียงกับเซลล์ แสงอาทิตย์สีย้อมไวแสงที่ใช้อนุภาคนาโนไทเทเนียมไดออกไซด์ ทั้งนี้เนื่องจากลวดนาโนช่วยให้ส่งผ่านอิเล็กตรอนไปยังขั้วไฟฟ้าได้มากขึ้น และลวดนาโนมีพ้ืนที่ผิวสูง และในปี ค.ศ.2006 Baxter และAydil (Baxter and Aydil, 2006) สร้างเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสงที่ใช้สีย้อมไวแสง N719 ดูดซับบนลวดนาโนซิงค์ออกไซด์ พบว่า มีแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด 0.7–0.8 V กระแสไฟฟ้าลัดวงจร 3 mA/cm2 และมีประสิทธิภาพรวม 1.1% ลวดนาโนซิงค์ออกไซด์ ได้รับความสนใจศึกษาเนื่องจากซิงค์ออกไซด์มีค่าพลังงานแถบช่องว่างใกล้เคียงกับไทเทเนียมไดออกไซด์ และมีกระบวนเตรียมให้อยู่ในรูปของลวด นาโนง่ายกว่า

22

ความรู้ทั่วไปเกี่ยวกับมะเกลือเลือด

ภาพที่ 13 ส่วนต่างๆของมะเกลือเลือด

มะเกลือเลือด มีชื่อวิทยาศาสตร์ คือ Terminalia mucronata Craib et Hutch เป็นไม้ผลัดใบขนาดกลาง สูง 20 เมตร โคนต้นมีพูพอนตื้นๆ เปลือกมีสีน้ าตาลด าเรียบหรือแตกเป็นแผ่นล่อน เปลือกเป็นแอ่งเปลือกในสีน้ าตาลแดงมีขนสั้นนุ่มสีน้ าตาลแดงหรือเทาตามกิ่งอ่อน ใบอ่อน ก้านใบ แผ่นใบด้านล่าง ช่อดอก และผล ใบเดี่ยว เรียงตรงข้ามหรือเกือบตรงข้าม รูปขอบขนาน รูปรี รูปไข่ ยาว 8-25 เซนติเมตร ปลายใบมน เว้า ติ่งมนหรือแหลม โคนใบสอบมน หรือเว้าคล้ายรูปหัวใจ ใบอ่อนขอบใบโปร่งแสงและมีขนสั้นนุ่ม แผ่นใบเหนียว เส้นแขนงใบข้างละ 8-16 เส้นโค้งจรดกันที่ขอบใบเส้นใบย่อยแบบขั้นบันได ใบแก่เปลี่ยนเป็นสีแดงก่อนหลุดร่วง ก้านใบยาว 1-3 เซนติเมตร มีต่อมนูนกลมหนึ่งคู่ที่ด้านข้างของก้านใบ ครึ่งบนถึงใกล้โคนใบขนาด 1-3 มิลลิเมตร ช่อดอกแบบช่อเชิงลดออกที่ซอกใบใกล้ปลายกิ่งยาว 9-15 เซนติเมตร ดอกสีครีม มีกลิ่นหอมอ่อนๆ ใบประดับรูปเส้นด้ายยาว 1-2 มิลลิเมตร กลีบเลี้ยงโคนเชื่อมติดกันเป็นหลอด ยาว 0.5-1 มิลลิเมตร ปลายแยกเป็น 5 แฉกหยักมนต้ืนๆ ไม่มีกลีบดอก เกสรเพศผู้ 10 อัน ยาว 3-4 มิลลิเมตร ยื่นโผล่พ้นหลอดกลีบเลี้ยงอับเรณูติดไหวได้จานฐานดอกมีขนหนาแน่น รังไข่อยู่ใต้วงกลีบ รูปรียาว0.5-1 มิลลิเมตร มี 1 ช่อง ออวุล 2-3 เม็ด ก้านยอดเกสรเพศเมียยาว 2-3 มิลลิเมตร ผลผนังชั้นในแข็งมี 2 ปีก รูปค่อนข้างกลมกว้าง 2-5 เซนติเมตร

ล าต้น

ใบ/ผล ดอก

23

ยาว 2.5-4 เซนติเมตรรวมปีก ตัวผลกว้าง 5-8 มิลลิเมตร ยาว 1.5-3 เซนติเมตร มีสันคมทางด้านบนและด้านล่างปีกเหนียว มะเกลือเลือดมีเขตการกระจายพันธุ์ ขึ้นตามป่าเบญจพรรณและป่าเต็งรัง จนถึงระดับความสูงประมาณ 700 เมตร ผลิใบพร้อมออกดอก ช่วงเดือนมีนาคม ถึง เดือนเมษายน

ประโยชน์ของมะเกลือเลือดเนื้อไม้สีน้ าตาลด าค่อนข้างแข็งใช้เป็นไม้โครงสร้างงานก่อสร้างที่ ต้องการความแข็งแรงคงทนและท าไม้กระดานหรือไม้พ้ืนไม่เป็นที่นิยมเนื่องจากยากต่อการเลื่อยสรรพคุณเป็นยาสมุนไพรหลายขนานโดยเฉพาะเปลือก แก้ท้องร่วง บ ารุงก าลัง ประเภทของเซลล์แสงอาทิตย์

เซลล์แสงอาทิตย์ถูกสร้างข้ึนครั้งแรกเม่ือปี ค.ศ.1954 (พ.ศ.2497) โดยแชปปิน (Chapin)

ฟูลเลอร์(Fuller) และเพียสัน (Pearson) แห่งเบลล์เทลเลโฟน (Bell Telephon) โดยทั้ง3 ท่าน ได้ค้นพบเทคโนโลยีการสร้างรอยต่อพี–เอ็น(P-N) แบบใหม่โดยวิธีการแพร่สารเข้าไปในผลึกของซิลิกอน จนได้เซลล์แสงอาทิตย์อันแรกของโลกซึ่งมีประสิทธิภาพเพียง 6% ปัจจุบันได้มีการพัฒนาใช้เซลล์แสงอาทิตย์มากขึ้น

เซลล์แสงอาทิตย์ที่ใช้กันในปัจจุบันแบ่งได้เป็น 3 กลุ่มใหญ่ ๆ คือ

1.กลุ่มเซลล์แสงอาทิตย์ที่ท าจากสารกึง่ตัวน าประเภทซิลิกอน จะแบ่งตามลักษณะของผลึก ที่เกิดขึ้น คือ แบบที่เป็นรูปผลึก (Crystal) และแบบที่ไม่เป็นรูปผลึก (Amorphous) แบบที่เป็นรูปผลึกจะแบ่งออกเป็น 2 ชนิด คือ ชนิดผลึกเดี่ยวซิลิคอน (Single Crystalline Silicon Solar Cell) และชนิดผลึกรวมซิลิคอน (Poly Crystalline Silicon Solar Cell) แบบที่ไม่เป็นรูปผลึก คือชนิดฟิล์มบางอะมอร์ฟัสซิลิคอน (Amorphous Silicon Solar Cell)

ภาพที่ 14 เซลล์แสงอาทิตย์ที่ท าจากซิลิคอน

24

2.กลุ่มเซลล์แสงอาทิตย์ที่ท าจากสารประกอบที่ไม่ใช่ซิลิกอน เช่น เซลล์แสงอาทิตย์ที่ท ามาจากแกลเลี่ยม อาร์เซไนด์ (GaAs) แคดเมียม เทลเลอไรด์ (CdTe) และคอปเปอร์ อินเดียม ไดเซเลไนด์ (CulnSe2) เป็นต้น มีทั้งชนิดผลึกเดี่ยว (Single Crystalline) และผลึกรวม (Poly crystalline) เซลล์แสงอาทิตย์ที่ท าจากแกลเลี่ยมอาร์เซไนต์จะให้ประสิทธิภาพสูงถึง 20-25 % และมีความบางประมาณ 300 นาโนเมตร ท าให้ไม่สิ้นเปลืองเนื้อวัสดุมีน้ าหนักเบาการผลิตท าได้ง่ายข้อดีของเซลล์แสงอาทิตย์ที่ท าจากสารประกอบที่ไม่ใช่ซิลิกอนคือไม่เกิดมลพิษกับสิ่งแวดล้อมจึงเหมาะที่จะประยุกต์ใช้กับอุปกรณ์ไฟฟ้าที่กินไฟฟ้าน้อย เช่น เครื่องคิดเลข นาฬิกาข้อมือ วิทยุ เป็นต้น

3.กลุ่มเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดทางเลือกที่สาม (Third generation solar cells) ได้แก่ เซลล์แสงอาทิตย์จากสารอินทรีย์ (Organics solar cells) เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง (Dye-sensitized solar cells, DSSC)

ตารางท่ี 2 เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดต่าง ๆ

ประเภทของวัสดุ โครงสร้าง ประสิทธิภาพ

ของเซลล์ ประสิทธิภาพ

ของโมดูล ซิลิคอน-แบบผลึก ผลึกเดี่ยว 15-24 % 10-14 % ซิลิคอน-แบบผลึก ผลึกโพลี 10-17 % 9-12 %

ซิลิคอน-อะมอร์ฟัส Amorphous Silicon

Amorphous SiC Amorphous SiGe

8-13 % 6-9 %

สารประกอบอ่ืน GaAs, CdTe ,

CuInSe2

18-30 % (GaAs) 10-15 % 10-15 %

NA

ที่มา: Kanha Solar Power Co., Ltd,2012

25

บทท่ี 3

วิธีด าเนินการวิจัย

ในงานวิจัยนี้จะท าการศึกษาสีย้อมที่สกัดจากพืชที่เหมาะสมในการสร้างเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง (Dye Sensitized Solar Cells) เป็นเซลล์แสงอาทิตย์ที่น าเอาความรู้ด้านวัสดุนาโนมาประยุกต์ใช้ มีหลักการท างานคล้ายการสังเคราะห์แสงของพืชโครง สร้างของเซลล์คล้ายแบตเตอรี่ที่ใช้ในปัจจุบัน โดยมีส่วนประกอบหลัก3 ส่วนได้แก่ ขั้วลบ(อาโนด) ขั้วบวก(คาโทด) และสารละลายอิเล็กโตรไลต์ หัวใจหลักของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดนี้คือ สีย้อมไวแสง ซึ่งสามารถสกัดได้จากธรรมชาติ โดยงานวิจัยนี้สนใจศึกษาสีย้อมที่สกัดจากเปลือกพืชในจังหวัดกาญจนบุรี โดยเฉพาะมะเกลือเลือด โดยมีรายละเอียดของเครื่องมือ อุปกรณ์ และสารเคมีที่ใช้ในการทดลองพร้อมทั้งวิธีการทดลองดังนี้

1. กลุ่มตัวอย่าง 2. เครื่องมือ อุปกรณ์และสารเคมี 3. การเก็บรวบรวมข้อมูล

กลุ่มตัวอย่าง

กลุ่มตัวอย่างที่ใช้ในการวิจัยครั้งนี้ คือ เปลือกมะเกลือเลือด ในต าบลห้วยสะพาน อ าเภอพนมทวน จังหวัดกาญจนบุรี เครื่องมือและอุปกรณ์

1. เครื่องท าความสะอาดUltrasonic Cleaner 2. เครื่อง Solar simulator Light 3. เครื่องกวนความเร็วสูง (Stirrer) 4. เครื่องวัดรังสียูวี (UV-Visible spectrophotometer) 5. เครื่องระเหยสาร 6. ปากกาหัวเพชรตัดกระจก

7. กระจกน าไฟฟ้า (Fluorine-doped Tin Oxide, FTO) 8. เตาเผาอุณหภูมิสูง 9. กระดาษกรอง 10. ครกบดสาร 11. บล็อกสกรีน 12. แผ่นพาราฟิล์ม

26

สารเคมี

1. ไทเทเนียมไดออกไซด์ (Titanium oxide ,TiO2 ) ขนาดอนุภาค 1-100 นาโนเมตร 2. แพลทินัมคลอไรด์ (Platinum (IV) chloride) 3. เอทานอล (Ethanol ,C2H5OH ) 4. กรดน้ าส้มสายชู (Acid vinegar) 5. เอทิลเซลลูโลส (Ethyl Cellulose) 6. ไอโอดีน (Iodine,I2 ) 7. ลิเทียมไอโอไดซ์ (LiI ) 8. สาร 3-Methoxypropionitrile 9. สาร 4-tert-Rutylpyride

ขั้นตอนการประดิษฐ์เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง

1.การเตรียมขั้วไฟฟ้าเวิคคิง (Working electrode) ตัดกระจกน าไฟฟ้าโปร่งแสง FTO ให้มีขนาด 2.5x5.5 cm2 ท าความสะอาดด้วยเอทานอล

แล้วน าเข้าเครื่อง Ultrasonic Cleaner เป็นเวลา 30 นาที หลังจากนั้นล้างด้วยน้ ากลั่นอีกครั้ง ทิ้งไว้ให้แห้ง จากนั้นหยด TiO2 paste (มีส่วนผสมระหว่างผลึกนาโนTiO2 และกาวโพลิเมอร์) ลงบนผิวกระจก FTO ด้านที่น าไฟฟ้าใช้แผ่นยางปาด TiO2 paste ให้เรียบน าไปเผาที่อุณหภูมิ 500ºc นาน 60 นาท ีเพ่ือไล่น้ าและกาวโพลิเมอร์ออกทิ้งไว้ให้เย็น

2.การเตรียมขั้วไฟฟ้าเคาน์เตอร์ (Counter electrode) ตัดกระจกน าไฟฟ้าโปร่งแสง FTO ให้มขีนาด 2.5x5.5 cm2 ท าความสะอาดด้วยเอทานอล

แล้วน าเข้าเครื่อง Ultrasonic Cleaner เป็นเวลา 30 นาที หลังจากนั้นล้างด้วยน้ ากลั่นอีกครั้ง ทิ้งไว้ให้แห้ง จากนั้นหยด Pt paste (มีส่วนผสมระหว่างโลหะแพลทินัมและกาวโพลิเมอร์) ลงบนผิวกระจกจากนั้นใช้แผ่นยางปาด Pt paste ให้เรียบ ปล่อยให้แห้ง แล้วน าไปเผาที่อุณหภูมิ 500ºc นาน 60 นาที เพ่ือไล่น้ าและกาวโพลิเมอร์ออกทิ้งไว้ให้เย็น

3.การเตรียมสารละลายอิเล็กโทรไลต์ เตรียมไอโอดีน(I2) จ านวน 0.1 โมล ลิเทียมไอโอไดย์(LiI) จ านวน 0.5 โมล และ4-tert-Butyl

pyridine (TBP) จ านวน 0.5 โมล ละลายเป็นเนื้อเดยีวกัน จากนั้นเติมสารเมทอกซิลโพพิโอไนไตล์ (3-Methoxy propionitrile) สารละลายอิเล็กโทรไลต์ ที่ได้จะมีสีน้ าตาลเหมือนสีของสารไอโอดีน

27

4.การสกัดสีย้อมจากเปลือกมะเกลือเลือดและการย้อมสี น าเปลือกมะเกลือเลือดมาหั่นเป็นชิ้นเล็กๆ จากนั้นน าไปสกัดโดยใช้เอทานอลเป็นตัวท า -

ละลาย ท าการกรองเอากากหรือส่วนที่ไม่ต้องการออกไปเก็บไว้เฉพาะส่วนที่เป็นสารละลายที่มีสีเพ่ือใช้ในการย้อมส ีการย้อมสีท าได้โดย น าขั้วไฟฟ้าเวิคคิงที่เคลือบด้วย TiO2 แช่ในสารละลายที่สกัดได้จากเปลือกมะเกลือเลือด ประมาณ 24 ชั่วโมง เมื่อครบเวลาก าหนดล้างด้วยเอทานอลอีกครั้งรอจนเอทา-นอลระเหยออกไปหมด จากนั้นเก็บไว้ในที่มืดและแห้งเพื่อรอการประกอบเซลล์แสงอาทิตย์

5.การประกอบเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง น าขั้วไฟฟ้าเวิคคิงและขั้วไฟฟ้าเคาน์เตอร์ มาประกบกันโดยมีแผ่นพาราฟิล์มกั้นอยู่ระหว่างข้ัว

ทั้งสองเพ่ือป้องกันไม่ให้เกิดการลัดวงจร จากนั้นเติมสารละลายอิเล็กโทรไลต์ แล้วใช้คลิปหนีบให้แน่นเพ่ือป้องกันการระเหยของอิเล็กโทรไลต์

28

บทที่ 4

ผลการวิเคราะห์ข้อมูล

ในการวิจัยครั้งนี้กลุ่มตัวอย่าง คือ เปลือกมะเกลือเลือด ที่อยู่ในชุมชนห้วยสะพาน อ าเภอพนมทวน จังหวัดกาญจนบุรี ซึ่งในงานวิจัยนี้มีผลการศึกษาดังรายละเอียดต่อไปนี้ การวัดสเปกตรัมการดูดกลืนแสงของสารสกัดจากเปลือกมะเกลือเลือดและสมบัติทางไฟฟ้า

ภาพที่ 15 สเปกตรัมการดูดกลืนแสงของสารที่สกัดอยู่ในช่วง 200–600 นาโนเมตร

ภาพที่ 16 แสดงความสัมพันธ์ระหว่างความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าและความต่างศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสงที่ใช้สีย้อมจากสารสกัดจากเปลือกมะเกลือเลือดเป็นตัวดูดกลืนแสง

29

ตารางท่ี 3 ผลของความเข้มข้นของสีจากเปลือกมะเกลือเลือดต่อปริมาณเอทานอล

ชนิดของพืช ความเข้มข้นของสีย้อม

(กรัม/20มิลลิลิตร) Jsc

(mA/cm2) Voc (v)

FF %

สีมาตรฐาน (N719) 1.0 4.65 0.78 0.62 2.24 เปลือกมะเกลือเลือด 1.0 0.07 0.45 0.37 0.01 เปลือกมะเกลือเลือด 2.0 0.08 0.51 0.39 0.03 เปลือกมะเกลือเลือด 4.0 0.09 0.55 0.40 0.04 เปลือกมะเกลือเลือด 8.0 0.10 0.60 0.45 0.05

จากตารางผลการทดลองความเข้มข้นของสีจากเปลือกมะเกลือเลือดที่มีผลต่อประสิทธิภาพ

ของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง สรุปได้ว่า ความเข้มข้นของสีมาตรฐานN719 ที่ 1.0 กรัมต่อปริมาณเอทานอล 20 มิลลิลิตร

กระแสไฟฟ้าลัดวงจรJsc มีค่า 4.65 mA/cm2 ศักย์ไฟฟ้าวงจรเปิดVoc มีค่า 0.78 V ค่า Fill Factor(FF) มีค่า 0.62 และก าลังไฟฟ้าสูงสุดของเซลล์แสงอาทิตย์ มีค่าร้อยละ 2.24

ความเข้มข้นของสีจากเปลือกมะเกลือเลือดที ่1.0 กรัมต่อปริมาณเอทานอล 20 มิลลิลิตร กระแสไฟฟ้าลัดวงจรJsc มีค่า 0.07 mA/cm2 ศักย์ไฟฟ้าวงจรเปิดVoc มีค่า 0.45 V ค่า Fill Factor(FF) มีค่า 0.37 และก าลังไฟฟ้าสูงสุดของเซลล์แสงอาทิตย์ มีค่าร้อยละ 0.01

ความเข้มข้นของสีจากเปลือกมะเกลือเลือดที่ 2.0 กรัมต่อปริมาณเอทานอล 20 มิลลิลิตร กระแสไฟฟ้าลัดวงจรJsc มีค่า 0.08 mA/cm2 ศักย์ไฟฟ้าวงจรเปิดVoc มีค่า 0.51 V ค่า Fill Factor(FF) มีค่า 0.39 และก าลังไฟฟ้าสูงสุดของเซลล์แสงอาทิตย์ มีค่าร้อยละ 0.03



30

บทท่ี 5

สรุปผลการวิจัยและขอ้เสนอแนะ สรุปผลการวิจัย

งานวิจัยนี้เป็นไปตามวัตถุประสงค์ที่ได้ตั้งไว้ ท าให้ทราบกระบวนการสกัดสี การประดิษฐ์เซลล์แสงอาทิตย์ชนิด สีย้อมไวแสง สมบัติทางไฟฟ้าและประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ โดยใช้สารสกัดจากเปลือกมะเกลือเลือดเป็นตัวดูดกลืนแสง ใช้เวลาในการย้อมสี 24 ชั่วโมง พบว่า ประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์เพ่ิมข้ึนตามความเข้มข้นของสีย้อม โดยที่ความเข้มข้น 8 กรัมต่อปริมาณเอทานอล 20 มิลลิลิตร ได้ค่าความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าลัดวงจรของเซลล์แสงอาทิตย์ 0.10 mA/cm2 และประสิทธิภาพสูงสุดร้อยละ0.05 อย่างไรก็ตามพบว่าเมื่อใช้สีย้อมจากเปลือกมะเกลือเลือดเป็นตัวดูดกลืนแสง ประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสงที่ได้ค่อนข้างต่ าเมื่อเปรียบเทียบกับการใช้สีย้อมมาตรฐานN719 เป็นตัวดูดกลืนแสง การที่มีประสิทธิภาพต่ าอาจจะเกิดจากการไม่เสถียรของสีย้อมจากธรรมชาติและการยึดเกาะกับผลึกนาโนTiO2 ดังนั้นการแสวงหาพืชชนิดใหม่ๆเป็นสิ่งจ าเป็นอย่างยิ่งเพ่ือเพ่ิมประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสงให้สูงขึ้นซึ่งการใช้สีย้อมที่สกัดจากธรรมชาติถือเป็นข้อได้เปรียบของประเทศไทยที่มีความหลากหลายทางชีวภาพสูง แต่การพัฒนาส่วนประกอบต่างๆของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสงควบคู่กันไปก็จะเป็นอีกแนวทางหนึ่งในการเพ่ิมประสิทธิภาพให้สูงขึ้นได้ ข้อเสนอแนะ

เนื่องจากเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสงโดยใช้สีย้อมจากธรรมชาติที่สกัดจากเปลือกมะเกลือเลือดเป็นตัวดูดกลืนแสงที่ประดิษฐ์ขึ้น ยังมีประสิทธิภาพค่อนข้างต่ า ดังนั้นควรมีการศึกษาส่วนประกอบต่างๆ เพ่ิมเติม เช่น ศึกษาขั้วไฟฟ้า Working electrode ศึกษาสีย้อมโดยใช้สีย้อมที่ให้สเปกตรัมการดูดกลืนแสงครอบคลุมตลอดช่วงความยาวคลื่นที่ตามองเห็น (400-700 nm) เพ่ือเพ่ิมค่าการดูดกลืนแสง การศึกษาสมบัติของอิเล็กโทรไลต์ก็เป็นสิ่งจ าเป็นอย่างยิ่ง อิเล็กโทรไลต์ที่ดีควรมีความคงทนไม่ระเหยง่ายและสามารถส่งผ่านอิเล็กตรอนได้ดีการศึกษาวิจัยจะต้องมีเวลามากพอและมีเครื่องมือทีท่ันสมัยประสิทธิภาพสูง ส าหรับการท าวิจัยเพ่ือน าไปสู่การเข้าใจหลักการท างาน และสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสงให้เพ่ิมขึ้นและลดต้นทุนการผลิตได้

การศึกษากระบวนการในการประดิษฐ์เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสงให้มีประสิทธิภาพสูงขึ้นและมีราคาที่ถูกเป็นสิ่งจ าเป็นที่จะต้องได้รับการพัฒนาเพ่ือเป็นอีกทางเลือกหนึ่งในการลดความขาดแคลนแหล่งพลังงานในอนาคตต่อไป

31

เอกสารอ้างอิง

ณิชาภา เจนกสิกิจ. (2551). สีย้อมธรรมชาติจากใบไม้ส าหรับเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง.

วิทยานิพนธ์วิศวกรรมเคมี มหาวิทยาลัยจุฬาลงกรณ์. ทวนทอง ธนนิมิต. (2548). การศึกษาค่าการดูดกลืนแสงของคลอโลฟิลล์ที่ได้จากพืช. วิทยานิพนธ์

วิทยาศาสตรมหาบัณฑิต มหาวิทยาลับสงขลานครินทร์. พิพัฒน์ เรือนค า. (2549). ผลของสีย้อมชนิดต่างๆที่ใช้ในเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อม. วิทยานิพนธ์

วิทยาศาสตรมหาบัณฑิต มหาวิทยาลัยเชียงใหม่. พีรกิตติ์ คมสัน. (2550). เซลล์แสงอาทิตย์กับสีย้อมไวแสงจากพืชในประเทศไทย. วินิช พรมอารักษ์ และคณะ. (2552). เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง. วิทยานิพนธ์คณะ

วิทยาศาสตร์สาขาเคมี มหาวิทยาลัยอุบลราชธานี. วิรัตน์ เจริญบุญ และคณะ. (2549). เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดผลึกนาโนเมล็ดสีโดยใช้สีสกัดจาก

ธรรมชาติเป็นตัวดูดกลืนแสง.วิทยาลัยนาโนเทคโนโลยีพระจอมเกล้าลาดกระบัง สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง..

ศุภชัย จันทร์งาม. (2552). ผลของตัวกระตุ้นซิงก์ฟทาโลไซยานินต์กับประสิทธิภาพของเซลล์ แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง. วิทยานิพนธ์วิทยาศาสตรมหาบัณฑิต มหาวิทยาลัยเชียงใหม่.

สารานุกรมพืชในประเทศไทย. (2554). ค้นจาก ttp://wed3.dnp.go.th/botany/detail. aspx?wordsnamesci=Caryota0mitis0Lour.

ส านักงานกลางศูนย์ความเป็นเลิศด้านฟิสิกส์. (2552). เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดผลึกนาโนเม็ดสีDSSC. ส านักงานคณะกรมการารสาธารณสุขมูลฐาน. (2540).ผักพื้นบ้านความหมายและภูมิปัญญาของ

สามัญชนไทย.กรุงเทพฯ:สถาบันการแพทย์ไทย กรมการแพทย์กระทรวงสาธารณสุข. สุทธิพจน์ สุทธนะ. (2550). ซิงก์ออกไซด์ที่เจือด้วยอลูมีเนียมส าหรับการประยุกต์ในเซลล์

แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อม.วิทยานิพนธ์วิทยาศาสตรมหาบัณฑิต มหาวิทยาลัยเชียงใหม่. สุนทร บุญญาธิการ และคณะ. (2545). พลังงานใกล้ตัว. กรุงเทพฯ อธิวัฒน์ ไทยแท้. (2550). ผลของสีย้อมธรรมชาติต่อประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์สีย้อมไวแสง

TiO2 โครงสร้างนาโน. วิทยานิพนธ์วิทยาศาสตรมหาบัณฑิต มหาวิทยาลัยอุบลราชธานี. อนุวัตร จ าลองกุล. (2550). พลังงานทางเลือกจากเซลล์แสงอาทิตย์. มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราช

มงคลธัญบุรี. AD Architecture Digest for the 21th Century PHOTOVOLTAICS. Oxford Brookes

University , sponsored by BP, Solar25 p. Baxter,J.B.,and Aydil,E.S. (2006). Dye-sensitized solar cells based on semiconductor

morphologies with ZnO nanowires. Solar Energy Materials & Solar Cells. 90,pp. 607-622.

32

Bin Li, Liduo Wang,Bonan Kang,Peng Wang,and Yong Qiu. (2006). Review of recent progress in solid-state dye-sensitized solar cells.Solar Energy Materials & Solar Cells. 90,pp. 549-573.

Boschloo.G.K. and Goossens,A. (1996). Electron Trapping in Porphyrin-Sensitized Porous Nanocrystalline TiO2 Electrodes. J.Phys.Chem.100,pp.19489-19494.

Campbell,W.M.,Burrell,A.K.,Officer,D.L.,Jolley,K.W. (2004). Porphyrins as light harvesters in the dye-sensited TiO2 solar cell. Coordination Chemistry Reviews 248 (13-14),pp.1363-1379.

Cherian, S. and Wamser,C.C. (2000). Adsorption and Photoactivity of Tetra (4-carboxyphenl) porphyrin (TCPP) on Nanoparticulate TiO2. J. Phys. Chem.B.104,pp 3624-3629.

Dyesol company. (2007). http://www.dyesol.com. Graetzel, M. (1991). A low-cost, high-efficiency solar cell based on dyesensitized

colloidal TiO2 films. Nature 353 (6346), pp.737 Hao, S., Wu, J., Huang, Y. and Lin, J. Sol. (2006). Energy. 80 : 209-214. J. Jeong. (2008). Measuring the Sun. http://www.laserfocusworld.com/articles/361941 J.M. KROON. (2005). “Nanocrystalline Dye-Sensitized Solar Cells Having Maximum

Performance. Nanomax Final Technical, 41 p. K. Emery. (2009). Reference Solar Spectral Irradiance:Air Mass 1.5. http://rredc.nrel.gov/solar/spectra/am1.5/ (1 January K. Tennakonea, P.K.M. Bandaranayakea, P.V.V. Jayaweerab, A. Konnob, G.R.R.A.

Kumarab.(2002). Dye-sensitized composite semiconductonanostructures, Physica E,7p.

N. Meng, K.H.L. Michael, Y.C.L. Dennis, and K. Sumath. (2006). An analytical study of the porosityeffect on dye-sensitized solar cell performance, Sol.nergy.Mater.,

Smith, H. Blueberry Power. (2006). Photosynthetis Electricity. from: http://wwwPhysics.usyd.edu.au/ugrad/tsp/reports/2006/blueberry_

power_3.doc S.S Kim, J.H. Yum, and Y.E. Sung. (2003). Improved performance of a dye-sensitized solar cell using a TiO2/ZnO/Eosin Y electrode. Solar Energy Materials &

Solar Cells. 79, 495-505

http://www.dyesol.com/

33

ภาคผนวก

34

ภาคผนวก ก

ขั้นตอนการเตรียมกระจกน าไฟฟ้าโปร่งแสง (FTO)

35

1.การวัดกระจกตามขนาดที่ต้องการ ( 2.5 x 5.5 ตารางเซนติเมตร )

2.การตัดกระจกตามขนาดที่วัดด้วยปากกาหัวเพชร

36

3.การท าความสะอาดกระจกโดยมีขั้นตอนดังนี้

3.1 เช็ดท าความสะอาดด้วยน้ ายาล้างจาน

3.2 ล้างด้วยน้ าปราศจากไอออน (DI) แล้วน าไปเขย่าด้วยเครื่อง Ultrasonic ประมาณ 6 นาที

37

3.3 ล้างด้วย Ethanol แล้วน าไปเขย่าด้วยเครื่อง Ultrasonic ประมาณ 6 นาที

3.4 ล้างด้วยน้ าปราศจากไอออน (DI) อีกครั้งแล้วน าไปเขย่าด้วยเครื่อง Ultrasonic ประมาณ 6 นาท ี

ทิ้งไว้ให้แห้ง

38

ภาคผนวก ข

ขั้นตอนการเตรียมขั้วไฟฟ้าเวิคคิงและขั้วไฟฟ้าเคาน์เตอร์

39

การเตรียมขั้วไฟฟ้าเวิคคิง ตัดกระจกน าไฟฟ้าโปร่งแสง FTO ให้มขีนาด 2.5x5.5 cm2 ท าความสะอาดด้วยเอทานอล

แล้วน าเข้าเครื่อง Ultrasonic Cleaner เป็นเวลา 30 นาที หลังจากนั้นล้างด้วยน้ ากลั่นอีกครั้งแล้วทิ้งไว้ให้แห้ง จากนั้นหยดTiO2 paste (มีส่วนผสมระหว่างผลึกนาโนTiO2 และกาวโพลิเมอร์) ลงบนผิวกระจก FTO ด้านที่น าไฟฟ้าใช้แผ่นยางปาด TiO2 paste ให้เรียบน าไปเผาที่อุณหภูมิ 500ºc นาน 60 นาท ีเพ่ือไล่น้ าและกาวโพลิเมอร์ออกท้ิงไว้ให้เย็น ท าซ้ า 2 ชั้น

รูปที ่ 1ก การหยด TiO2 ลงบนกระจกน าไฟฟ้าโปร่งแสง ,1ข การปาด TiO2 ให้เรียบด้วยแผ่นยาง

รูปที่ 1ค น าไปเผาที่อุณหภูมิ 500ºc นาน 60 นาที, 1ง ทิ้งไว้ให้เย็นเพื่อเตรียมย้อมสี

1ก 1ข

1ค 1ง

ง

40

การเตรียมขั้วไฟฟ้าเคาน์เตอร์ ตัดกระจกน าไฟฟ้าโปร่งแสง FTO ให้มขีนาด 2.5x2.5 cm2 ท าความสะอาดด้วยเอทานอล

แล้วน าเข้าเครื่อง Ultrasonic Cleaner เป็นเวลา 30 นาที หลังจากนั้นล้างด้วยน้ ากลั่นอีกครั้ง แล้วทิ้งไว้ให้แห้ง จากนั้นหยด Pt paste (มีส่วนผสมระหว่างโลหะแพลทินัมและกาวโพลิเมอร์) ลงบนผิวกระจกจากนั้นใช้แผ่นยางปาดให้เรียบปล่อยให้แห้ง น าไปเผาที่อุณหภูมิ 500ºc นาน 60 นาที เพ่ือไล่น้ าและกาวโพลิเมอร์ออกท้ิงไว้ให้เย็น

รูปที่ 2ก ขั้วไฟฟ้าเวิคคิง และขั้วไฟฟ้าเคาน์เตอร์ ที่ผ่านการเผาแล้ว

TiO2 film

Pt film 2ก

41

ภาคผนวก ค

การเตรียมสารละลายอิเล็กโทรไลต ์

42

การเตรียมสารละลายอิเล็กโทรไลต์ เตรียมไอโอดีน(I2) จ านวน 0.1 โมล ลิเทียมไอโอไดย์(LiI) จ านวน 0.5 โมล และ 4-tert-

Butylpyridine (TBP) จ านวน 0.5 มิลลิลิตร ละลายเป็นเนื้อเดยีวกัน จากนั้นเติมสารเมทอกซิลโพพิโอไนไตล์(3-Methoxypropyronitrile) จ านวน 5 มิลลิลิตร สารละลายอิเล็กโทรไลต์ ที่ได้จะมีสีน้ าตาลเหมือนสีของสารไอโอดีน

ไอโอดีน(I2) 0.1 โมล ลิเทียมไอโอได(LiI) 0.5 โมล 4-tert-Butylpyridine (TBP) 0.5 มล.

สารละลายอิเล็กโทรไลต์

I2 + LiI + TBP

3-Metthoxy propionitrile 5 มิลลลิิตร

43

ภาคผนวก ง

การสกัดสีย้อมจากเปลือกมะเกลือเลือดและการย้อมสี

44


1. น าเปลือกมะเกลือเลือดมาหั่นเป็นชิ้นเล็กๆ

2. น าไปสกัดโดยใช้เอทานอลเป็นตัวท าละลาย

3. กรองสารสกัดด้วยกระดาษกรอง แล้วน าไประเหยแห้งด้วยเครื่องระเหยสาร

ภายใต้สูญญากาศชนิดหมุนที่อุณหภูมิไม่เกิน 40 องศาเซลเซียส

45

4. สารสกัดที่ได้เก็บใส่ภาชนะ

5.การย้อมสีบนฟิล์ม TiO2 นาน 24 ชั่วโมง

6. ฟิล์ม TiO2 ที่ผ่านการย้อมสีแล้ว

46

ภาคผนวก จ

การประกอบเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง

47

การประกอบเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง น าขั้วไฟฟ้าเวิคคิงและขั้วไฟฟ้าเคาน์เตอร์ มาประกบกันโดยมีแผ่นพาราฟิล์มกั้นอยู่ระหว่าง

ขั้วทั้งสองเพ่ือป้องกันไม่ให้เกิดการลัดวงจร จากนั้นเติมสารละลายอิเล็กโทรไลต์ แล้วใช้คลิปหนีบให้แน่นเพื่อป้องกันการระเหยของอิเล็กโทรไลต์ ดังรูป

รูปที่ 3ก การประกอบเซลล์แสงอาทิตย์, 3ข เติมสารละลายอิเล็กโทรไลต์

รูปที ่3ค เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสงที่ประกอบเสร็จแล้ว

3ก 3ข

3ค

48

ประวัติผู้วิจัย ชื่อ-นามสกุล นางสาวสุภาพร สีสิงห ์วัน เดือน ปีเกิด วันที่ 11 พฤษภาคม พุทธศักราช 2522 สถานที่เกิด อ าเภอหนองสองห้อง จังหวัดขอนแก่น ที่อยู่ บ้านเลขท่ี 300/32 หมู่ที่ 1 ต าบลท่าขนุน

อ าเภอทองผาภูมิ จังหวัดกาญจนบุรี 71180 โทร. 062-4518594

ต าแหน่งหน้าที่การงาน ครู อันดับ คศ.1 โรงเรียนบ้านเหมืองสองท่อ อ าเภอทองผาภูมิ จังหวัดกาญจนบุรี 71180

ประวัติการศึกษา พ.ศ. 2534 ประถมศึกษาปีที่ 6 โรงเรียนบ้านหนองเสี้ยว

จังหวัดขอนแก่น พ.ศ. 2537 มัธยมศึกษาปีที่ 3 โรงเรียนอมตวิทยา จังหวัดขอนแก่น พ.ศ. 2540 มัธยมศึกษาปีที่ 6 โรงเรียนอมตวิทยา จังหวัดขอนแก่น พ.ศ. 2545 ครุศาสตรบัณฑิต (ค.บ.) วิชาเอกคณิตศาสตร์

สถาบันราชภัฏกาญจนบุรี พ.ศ. 2558 วิทยาศาสตรมหาบัณฑิต (วท.ม.)

สาขาวิชาวิทยาศาสตร์ศึกษา มหาวิทยาลัยราชภัฏกาญจนบุรี

1



ปริญญาวิทยาศาสตรมหาบัณฑิต สาขาวิชาวิศวกรรมเคมี มหาวิทยาลัยจุฬาลงกรณ์. ทวนทอง ธนนิมิต. (2548). การศึกษาค่าการดูดกลืนแสงของคลอโลฟิลล์ที่ได้จากพืช. ปริญญา

วิทยาศาสตรมหาบัณฑิต สาขาวิชาเคมีประยุกต์ มหาวิทยาลับสงขลานครินทร์. พิพัฒน์ เรือนค า. (2549). ผลของสีย้อมชนิดต่างๆที่ใช้ในเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อม. ปริญญา

วิทยาศาสตรมหาบัณฑิต สาขาวิชาวิศวกรรมเคมี มหาวิทยาลัยเชียงใหม่. พีรกิตติ์ คมสัน. (2550). เซลล์แสงอาทิตย์กบัสีย้อมไวแสงจากพืชในประเทศไทย. กรุงเทพฯ: มติชน. วินิช พรมอารักษ์ และคณะ. (2552). เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง. ปริญญา

วิทยาศาสตรมหาบัณฑิต สาขาวิชาเคมี มหาวิทยาลัยอุบลราชธานี. วิรัตน์ เจริญบุญ และคณะ. (2549). เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดผลึกนาโนเมล็ดสีโดยใช้สีสกัดจาก

ธรรมชาติเป็นตัวดูดกลืนแสง. กรุงเทพฯ: สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง.

ศุภชัย จันทร์งาม. (2552). ผลของตัวกระตุ้นซิงก์ฟทาโลไซยานินต์กับประสิทธิภาพของเซลล์ แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง. วิทยานิพนธ์วิทยาศาสตรมหาบัณฑิต สาขาวิชาวิศวกรรมเคมี มหาวิทยาลัยเชียงใหม่.

สารานุกรมพืชในประเทศไทย. (2554). ค้นจาก http://wed3.dnp.go.th/botany/detail. aspx?wordsnamesci=Caryota0mitis0Lour



แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อม. วิทยานิพนธ์วิทยาศาสตรมหาบัณฑิต มหาวิทยาลัยเชียงใหม่. สุนทร บุญญาธิการ และคณะ. (2545). พลังงานใกล้ตัว. กรุงเทพฯ: วิวัฒน์การพิมพ์. อธิวัฒน์ ไทยแท้. (2550). ผลของสีย้อมธรรมชาติต่อประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์สีย้อม

ไวแสง TiO2 โครงสร้างนาโน. วิทยานิพนธ์วิทยาศาสตรมหาบัณฑิต สาขาวิชาเคมี มหาวิทยาลัยอุบลราชธานี.

อนุวัตร จ าลองกุล. (2550). พลังงานทางเลือกจากเซลล์แสงอาทิตย์. วิทยานิพนธ์วิทยาศาสตรมหาบัณฑิต สาขาวิชาวิศวกรรมเคมี มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลธัญบุรี.

AD Architecture Digest for the 21th Century PHOTOVOLTAICS. Oxford Brookes University , sponsored by BP, Solar25 p.

Baxter,J. B., & Aydil, E.S. (2006). Dye-sensitized solar cells based on semiconductor

2

morphologies with ZnO nanowires. Solar Energy Materials & Solar Cells. 90, 607-622.

Li, B. Wang, L., Kang, B, Wang,and P, Qiu. (2006). Review of recent progress in solid-state dye-sensitized. solar cells. Solar Energy Materials & Solar Cells. 90, 549-573.

Boschloo, G. K. and Goossens, A. (1996). Electron trapping in Porphyrin-Sensitized Porous Nanocrystalline TiO2 Electrodes. Zhongguo Jishui Paishui. 100, 19489-19494.

Campbell, W. M., Burrell, A. K., Officer, D. L., Jolley, K.W. (2004). Porphyrins as light harvesters in the dye-sensited TiO2 solar cell. Coordination Chemistry Reviews 248 (13-14), 1363-1379.

Cherian, S. & Wamser, C. C. (2000). Adsorption and photoactivity of Tetra (4-carboxyphenl) porphyrin (TCPP) on Nanoparticulate TiO2. Journal of the European Union, B., 104, 3624-3629.

Dyesol. (2007). Retrieved from http://www.dyesol.com. Graetzel, M. (1991). A low-cost, high-efficiency solar cell based on dyesensitized






power_3.doc


3

S.S Kim, J.H. Yum, and Y.E. Sung. (2003). Improved performance of a dye-sensitized solar cell using a TiO2/ZnO/Eosin Y electrode. Solar Energy Materials &


4



5




6




7



8




9



1ก 1ข

10





TiO2 film

Pt film

1ค 1ง

ง

2ก

11

รปูที ่2ก ขั้วไฟฟ้าเวิคคิง และขั้วไฟฟ้าเคาน์เตอร์ ที่ผ่านการเผาแล้ว


12

การเตรียมสารละลายอิเล็กโทรไลต ์ การเตรียมสารละลายอิเล็กโทรไลต์ เตรียมไอโอดีน(I2) จ านวน 0.1 โมล ลิเทียมไอโอไดย์(LiI) จ านวน 0.5 โมล และ 4-tert-



13



I2 + LiI + TBP


14





15





16




17




3ก 3ข

18






จังหวัดขอนแก่น พ.ศ. 2537 มัธยมศึกษาปีที่ 3 โรงเรียนอมตวิทยา จังหวัดขอนแก่น พ.ศ. 2540 มัธยมศึกษาปีที่ 6 โรงเรียนอมตวิทยา จังหวัดขอนแก่น

3ค

19

พ.ศ. 2545 ครุศาสตรบัณฑิต (ค.บ.) วิชาเอกคณิตศาสตร์ สถาบันราชภัฏกาญจนบุรี

พ.ศ. 2558 วิทยาศาสตรมหาบัณฑิต (วท.ม.) สาขาวิชาวิทยาศาสตร์ศึกษา มหาวิทยาลัยราชภัฏกาญจนบุรี

1



ปริญญาวิทยาศาสตรมหาบัณฑิต สาขาวิชาวิศวกรรมเคมี มหาวิทยาลัยจุฬาลงกรณ์. ทวนทอง ธนนิมิต. (2548). การศึกษาค่าการดูดกลืนแสงของคลอโลฟิลล์ที่ได้จากพืช. ปริญญา

วิทยาศาสตรมหาบัณฑิต สาขาวิชาเคมีประยุกต์ มหาวิทยาลับสงขลานครินทร์. พิพัฒน์ เรือนค า. (2549). ผลของสีย้อมชนิดต่างๆที่ใช้ในเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อม. ปริญญา

วิทยาศาสตรมหาบัณฑิต สาขาวิชาวิศวกรรมเคมี มหาวิทยาลัยเชียงใหม่. พีรกิตติ์ คมสัน. (2550). เซลล์แสงอาทิตย์กบัสีย้อมไวแสงจากพืชในประเทศไทย. กรุงเทพฯ: มติชน. วินิช พรมอารักษ์ และคณะ. (2552). เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง. ปริญญา

วิทยาศาสตรมหาบัณฑิต สาขาวิชาเคมี มหาวิทยาลัยอุบลราชธานี. วิรัตน์ เจริญบุญ และคณะ. (2549). เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดผลึกนาโนเมล็ดสีโดยใช้สีสกัดจาก

ธรรมชาติเป็นตัวดูดกลืนแสง. กรุงเทพฯ: สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง.

ศุภชัย จันทร์งาม. (2552). ผลของตัวกระตุ้นซิงก์ฟทาโลไซยานินต์กับประสิทธิภาพของเซลล์ แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง. วิทยานิพนธ์วิทยาศาสตรมหาบัณฑิต สาขาวิชาวิศวกรรมเคมี มหาวิทยาลัยเชียงใหม่.

สารานุกรมพืชในประเทศไทย. (2554). ค้นจาก http://wed3.dnp.go.th/botany/detail. aspx?wordsnamesci=Caryota0mitis0Lour



แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อม. วิทยานิพนธ์วิทยาศาสตรมหาบัณฑิต มหาวิทยาลัยเชียงใหม่. สุนทร บุญญาธิการ และคณะ. (2545). พลังงานใกล้ตัว. กรุงเทพฯ: วิวัฒน์การพิมพ์. อธิวัฒน์ ไทยแท้. (2550). ผลของสีย้อมธรรมชาติต่อประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์สีย้อม

ไวแสง TiO2 โครงสร้างนาโน. วิทยานิพนธ์วิทยาศาสตรมหาบัณฑิต สาขาวิชาเคมี มหาวิทยาลัยอุบลราชธานี.

อนุวัตร จ าลองกุล. (2550). พลังงานทางเลือกจากเซลล์แสงอาทิตย์. วิทยานิพนธ์วิทยาศาสตรมหาบัณฑิต สาขาวิชาวิศวกรรมเคมี มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลธัญบุรี.

AD Architecture Digest for the 21th Century PHOTOVOLTAICS. Oxford Brookes University , sponsored by BP, Solar25 p.

Baxter,J. B., & Aydil, E.S. (2006). Dye-sensitized solar cells based on semiconductor

2

morphologies with ZnO nanowires. Solar Energy Materials & Solar Cells. 90, 607-622.

Li, B. Wang, L., Kang, B, Wang,and P, Qiu. (2006). Review of recent progress in solid-state dye-sensitized. solar cells. Solar Energy Materials & Solar Cells. 90, 549-573.

Boschloo, G. K. and Goossens, A. (1996). Electron trapping in Porphyrin-Sensitized Porous Nanocrystalline TiO2 Electrodes. Zhongguo Jishui Paishui. 100, 19489-19494.

Campbell, W. M., Burrell, A. K., Officer, D. L., Jolley, K.W. (2004). Porphyrins as light harvesters in the dye-sensited TiO2 solar cell. Coordination Chemistry Reviews 248 (13-14), 1363-1379.

Cherian, S. & Wamser, C. C. (2000). Adsorption and photoactivity of Tetra (4-carboxyphenl) porphyrin (TCPP) on Nanoparticulate TiO2. Journal of the European Union, B., 104, 3624-3629.

Dyesol. (2007). Retrieved from http://www.dyesol.com. Graetzel, M. (1991). A low-cost, high-efficiency solar cell based on dyesensitized






power_3.doc
