โซลาร์เซลล์ใต้น้ำคืออะไร และทำไมการทดลองครั้งนี้จึงสำคัญ
แผงเซลล์แสงอาทิตย์ใต้น้ำ คือระบบผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงที่ถูกออกแบบให้ทำงานได้ภายใต้ผิวน้ำทะเล โดยปรับโครงสร้างวัสดุและคุณสมบัติการดูดกลืนแสงให้สอดคล้องกับสเปกตรัมของแสงที่เหลืออยู่ในน้ำที่ความลึกระดับต่าง ๆ เพื่อจ่ายพลังงานให้กับอุปกรณ์ใต้น้ำ เช่น เซนเซอร์ ระบบสื่อสาร และอุปกรณ์ตรวจวัด โดยไม่ต้องพึ่งแบตเตอรี่หรือสายไฟจากผิวน้ำเป็นหลัก งานวิจัยล่าสุดจากทีมมหาวิทยาลัยยูนนานพัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอรอฟสไกต์ให้ทำงานใต้น้ำได้และทดสอบจริงในทะเลที่ความลึก 2 6 และ 10 เมตร พร้อมทั้งสามารถใช้พลังงานที่ได้ชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนและจ่ายไฟให้หลอด LED สำเร็จ นี่ไม่ใช่การแข่งกับโซลาร์เซลล์บนหลังคาบ้าน แต่คือการสร้างแหล่งพลังงานเฉพาะกิจสำหรับโลกใต้น้ำที่แทบไม่มีใครแตะต้องมาก่อน
เทคโนโลยีเพอรอฟสไกต์ปรับตัวรับแสงสีน้ำเงินเขียวใต้น้ำอย่างไร
หัวใจของเทคโนโลยีนี้คือการยอมรับข้อเท็จจริงว่า แสงใต้น้ำไม่เหมือนแสงบนผิวน้ำ แล้วออกแบบเซลล์ให้เข้ากับสถานการณ์ แทนที่จะฝืนใช้โซลาร์เซลล์ซิลิคอนแบบเดิม นักวิจัยเลือกเทคโนโลยีเพอรอฟสไกต์แบบ Wide-bandgap ที่สามารถปรับค่า Bandgap ให้สอดคล้องกับช่วงคลื่นที่ยังเดินทางลงมาได้ในน้ำ เซลล์ที่พัฒนาขึ้นมีค่า Bandgap ประมาณ 1.96 eV และตั้งเป้าให้ทำงานได้ดีในช่วงลึก 5–10 เมตร ซึ่งสเปกตรัมแสงที่เหลือส่วนใหญ่คือแสงสีน้ำเงินและสีเขียวช่วง 400–600 นาโนเมตร ถ้าพูดให้เห็นภาพคือ แผงเซลล์แสงอาทิตย์ใต้น้ำชุดนี้ไม่ได้พยายามเก็บทุกโฟตอนเหมือนบนบก แต่คัดเลือกใช้แสงสีน้ำเงินเขียวที่ทะลุน้ำลงมาได้ดีที่สุดให้เกิดไฟฟ้ามากขึ้น นี่คือการออกแบบแบบเข้าใจบริบท ไม่ใช่แค่เพิ่มประสิทธิภาพตามตัวเลขบนกระดาษ
เสถียรภาพและอายุการใช้งาน การเติมสาร PHMG เปลี่ยนเกมเพอรอฟสไกต์
จุดอ่อนตลอดกาลของเทคโนโลยีเพอรอฟสไกต์คือความไวต่อความชื้นและสภาพแวดล้อม แต่เมื่อต้องลงไปอยู่กลางทะเล ความท้าทายนี้ยิ่งหนักขึ้น นักวิจัยจึงใส่สาร polyhexamethylene guanidine hydrochloride หรือ PHMG เป็นสารเติมแต่งในขั้นตอนสร้างชั้นเพอรอฟสไกต์ เพื่อควบคุมการตกผลึก ลดตำหนิในโครงสร้าง และลดการเคลื่อนที่ของไอออนภายในวัสดุที่เป็นต้นเหตุสำคัญของการเสื่อมสภาพ โครงสร้างของ PHMG ยังช่วยให้ชั้นเพอรอฟสไกต์มีเสถียรภาพดีขึ้นในสภาพแวดล้อมใต้น้ำด้วย ในการทดสอบจำลองที่ความลึก 10 เมตร เซลล์ยังทำงานต่อเนื่อง 1,160 ชั่วโมงโดยแทบไม่เสื่อมประสิทธิภาพ และการทดสอบอายุการใช้งานแบบเร่งอัตราการเสื่อมประเมินว่าอุปกรณ์อาจทำงานได้ราว 5.49 ปี ก่อนที่ประสิทธิภาพจะลดลงเหลือ 80 เปอร์เซ็นต์ เซลล์ที่ถูกเก็บในบรรยากาศไนโตรเจน 300 วันยังคงประสิทธิภาพได้ประมาณ 96 เปอร์เซ็นต์จากค่าเริ่มต้น ตัวเลขเหล่านี้ส่งสัญญาณชัดว่าเพอรอฟสไกต์ไม่ได้อยู่แค่ในงานวิจัยบนโต๊ะอีกต่อไป
ตัวเลขการผลิตพลังงานใต้น้ำและความหมายต่อพลังงานทะเลหมุนเวียน
คำถามสำคัญคือ พลังงานที่สร้างใต้น้ำพอใช้งานจริงหรือไม่ การทดสอบโมดูลเพอรอฟสไกต์พื้นที่ Active Area ประมาณ 115 ตารางเซนติเมตรในทะเลจริงให้คำตอบที่น่าสนใจมาก นักวิจัยนำโมดูลไปติดตั้งบริเวณเกาะ Weizhou ที่ระดับความลึก 2 6 และ 10 เมตร ผลการรับแสง 2 ชั่วโมงพบว่า ที่ความลึก 2 เมตรผลิตพลังงานได้ 1,416 mWh ที่ 6 เมตรได้ 752 mWh และที่ 10 เมตรแม้แสงลดลงมากยังสร้างได้ 324 mWh พลังงานที่ระดับ 10 เมตรถูกนำไปชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนและจ่ายไฟให้หลอด LED ได้สำเร็จ ตัวเลข 324 mWh ในสองชั่วโมงอาจดูไม่มากเมื่อเทียบกับโซลาร์ฟาร์ม แต่สำหรับเซนเซอร์ ใต้น้ำ กล้อง หรือโหนด IoT ที่ใช้พลังงานต่ำ นี่คือความแตกต่างระหว่างระบบที่ต้องยกขึ้นเปลี่ยนแบตเตอรี่บ่อย ๆ กับระบบที่สามารถทำงานอัตโนมัติยาวนานหลายปี
โอกาสและข้อจำกัดของพลังงานสะอาดทะเลในยุคโซลาร์เซลล์ใต้น้ำ
เมื่อมองภาพกว้าง แผงเซลล์แสงอาทิตย์ใต้น้ำด้วยเทคโนโลยีเพอรอฟสไกต์กำลังเปิดประตูไปสู่โครงสร้างพื้นฐานพลังงานทะเลหมุนเวียนรูปแบบใหม่ พลังงานสะอาดทะเลไม่จำเป็นต้องหมายถึงแค่กังหันลมกลางทะเลหรือเครื่องผลิตไฟจากคลื่นอีกต่อไป แต่รวมถึงเครือข่ายอุปกรณ์ที่สามารถดูแลตัวเองทางพลังงานใต้ผิวน้ำ ตั้งแต่ระบบตรวจสอบฟาร์มเพาะเลี้ยงสัตว์น้ำ เซนเซอร์คุณภาพน้ำ กล้องสำรวจระบบนิเวศ จนถึงโครงข่าย Internet of Things ใต้น้ำที่สื่อสารกับสถานีบนผิวน้ำโดยไม่ต้องพึ่งสายไฟยาวเหยียด อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีนี้ยังต้องผ่านสนามจริงระยะยาว ทั้งการกัดกร่อนจากน้ำเค็ม การเกาะตัวของสิ่งมีชีวิตทะเลบนผิวอุปกรณ์ และการปกป้องชั้นเพอรอฟสไกต์ไม่ให้เสียหายง่าย มุมมองที่สมเหตุผลคือ เราไม่ควรคาดหวังให้โซลาร์เซลล์ใต้น้ำมาแทนโซลาร์บนบก แต่ควรมองเป็นชิ้นส่วนใหม่ในจิ๊กซอว์พลังงานหมุนเวียนที่จะทำให้การเฝ้าระวังและจัดการทะเลเป็นเรื่องที่ใช้พลังงานสะอาดมากขึ้นและพึ่งพาตัวเองได้มากกว่าเดิม
