การประเมินการเร้าด้วยโฟตอนพลังงานสูงบนวัสดุเพอรอฟสไกท์และเซลล์แสงอาทิตย์ ในบริบทเริ่มต้นของเทคโนโลยีอวกาศของประเทศไทย

ในบริบทสถานการณ์ของโลก และการเปลี่ยนแปลงในด้านเศรษฐกิจและสังคมของประเทศที่เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วในระยะเวลา 2-3 ปีที่ผ่านมา ส่งผลกระทบโดยตรงอย่างชัดเจนต่อระบบการศึกษาไทย ตัวอย่าง เช่น ผลกระทบลำดับของการศึกษาไทยที่มีความผันผวนสูง (จากข้อมูล “The Times Higher Education World University Ranking 2022”) อีกทั้งยังพบว่า ที่ผ่านมานั้น สถานการณ์โรคติดเชื้อไวรัส โควิด-19 ได้ส่งผลต่อนโยบายการจัดสรรทุนของแหล่งทุนภายในประเทศที่มุ่งเน้นไปที่การศึกษา-วิจัย-และ-พัฒนางานที่เกี่ยวข้องเพื่อยับยั้งและป้องกันการแพร่กระจายของเชื้อโรคอันเป็นสิ่งที่สำคัญ จำเป็นและเร่งด่วน ส่งผลต่อเศรษฐกิจโดยรวม ก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางด้านการดำเนินชีวิตของผู้คนภายในประเทศไปในรูปแบบความปกติใหม่ (new normal) หรืออาจจะเปลี่ยนเป็นในรูปแบบความปกติถัดไป (next normal) ซึ่งรวมถึงระบบการศึกษา และการเรียนการสอนในรูปแบบใหม่ๆ แนวทางการพัฒนาบุคลากรสายวิจัยในทุกระดับของการศึกษาภายในประเทศ  

     การพัฒนาคน และองค์ความรู้ผ่านโจทย์งานวิจัย “ระดับแนวหน้า (Frontier Research)” ถือเป็นเรื่องใหม่ของประเทศไทย เป็นโปรแกรมในมิติใหม่ที่สร้างความแตกต่างที่มีผลกระทบและความเสี่ยงสูง หากสำเร็จจะเป็นโปรแกรมต้นแบบการพัฒนาองค์ความรู้ เทคโนโลยี รวมถึงการผลิตกำลังทรัพยากรบุคลากรสายวิจัย ที่มั่นคง ยั่งยืน และพึ่งพาตัวเองในระยะยาวของประเทศ ซึ่งจะช่วยส่งเสริมการเปลี่ยนตัวเองจากประเทศผู้ซื้อเทคโนโลยีกลายเป็นประเทศผู้มีส่วนเกี่ยวข้องในการสร้าง-คิดค้น-และพัฒนาเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้อง และจะเป็นการเตรียมพร้อมกับการอุบัติขึ้นของเทคโนโลยีใหม่ๆ ในอนาคต โครงการวิจัยเรื่อง “การประเมินผลการเร้าด้วยโฟตอนพลังงานสูงบนวัสดุเพรอฟสไกท์และเซลล์แสงอาทิตย์ ในบริบทเริ่มต้นของเทคโนโลยีอวกาศของประเทศไทย” จะเป็นการศึกษาองค์ความรู้พื้นฐานที่สำคัญและจำเป็นต่อพัฒนาวัสดุเพอรอฟสไกท์ และเซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไกท์เพื่อประยุกต์ในอุตสาหกรรมอวกาศ โดยจะศึกษาการเปลี่ยนแปลงของสมบัติเชิงโครงสร้าง เชิงแสง และเชิงไฟฟ้าของวัสดุเพอรอฟสไกท์ภายใต้สภาวะเร้าด้วยโฟตอนพลังงานสูง ควบคู่กับการศึกษาด้วยระบบจำลองคอมพิวเตอร์เพื่อให้ได้รับองค์ความรู้เชิงลึกอย่างครบถ้วน และต่อยอดสู่การพัฒนาเป็นเซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไกท์ที่เหมาะต่อการประยุกต์ในอวกาศ ข้อได้เปรียบอย่างชัดเจนของเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไกท์เมื่อเทียบกับเซลล์แสงอาทิตย์ซิลิกอนแบบดั้งเดิม คือ เป็นเซลล์แสงอาทิตย์ที่สามารถเตรียมลงบนแผ่นรองรับที่โค้งงอได้ จึงทำให้มีน้ำหนักเบา เหมาะต่อการประยุกต์ในพื้นที่ที่มีข้อจำกัดด้านการรับน้ำหนักของเซลล์ฯ เช่น ดาวเทียม จรวด เป็นต้น ส่งผลให้ เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดนี้จะเป็น “Niche market” หรือ “ตลาดเฉพาะกลุ่ม”  ที่ตอบโจทย์กลุ่มอุตสาหกรรมที่ต้องการใช้ผลิตภัณฑ์ได้อย่างตรงเป้าหมาย โครงการวิจัยเรื่องนี้ จะเป็นหนึ่งในโครงการด้านการพัฒนาวิทยาศาสตร์ วิศวกรรมศาสตร์ เทคโนโลยี และงานวิจัยระดับแนวหน้าของประเทศไทย เป็นโครงการแบบบูรณาการ ที่ผนึกรวม (integration) ตั้งแต่การศึกษา ออกแบบ-สร้าง/วิเคราะห์และวิจัยวัสดุเซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไกท์สมัยใหม่ ให้มีประสิทธิภาพสูงกว่า 20 เปอร์เซ็นต์ และทดสอบการอาบด้วยโฟตอนพลังงานสูง (High-photon energy radiation) เพื่อประเมินความเหมาะสมในการใช้เป็นแหล่งพลังงานไฟฟ้าสำหรับเทคโนโลยีอวกาศของประเทศในอนาคต

     ในบริบทของการพัฒนาเทคโนโลยีอวกาศอย่างครบวงจร ไม่เพียงแต่ การส่งเสริมในด้านการพัฒนาดาวเทียมหรือจรวดขนาดเล็กของไทย หากแต่ การส่งเสริมงานวิจัยด้านการพัฒนาแหล่งกำเนิดไฟฟ้าเพื่อใช้ในภารกิจนอกโลก เช่น เซลล์แสงอาทิตย์ เป็นอีกหนึ่งด้านที่ได้รับความสนใจเป็นอย่างมากเช่นกัน ณ ปัจจุบัน เซลล์แสงอาทิตย์ที่ใช้ร่วมในเทคโนโลยีอวกาศประกอบด้วยโครงสร้างแบบ “ทริป-เปิล-จังชัน” (triple-junction) ของวัสดุสารกึ่งตัวนำในหมู่ 3-5 ในตารางธาตุ โดยการเตรียมวัสดุดังกล่าวข้างต้นซ้อนทับกันไปเป็นชั้นต่อเนื่อง เป็นโครสร้างคล้ายขนมชั้น วัสดุแต่ละชั้นโครงสร้างถูกขึ้นรูปเป็นฟิล์มบางด้วยเทคโนโลยีขั้นสูงที่ต้องพึ่งพาระบบสุญญากาศที่ซับซ้อน เซลล์ดังกล่าวสามารถให้ประสิทธิภาพสูงถึง 30 เปอร์เซ็นต์เมื่อทดสอบกับแสงที่ความเข้มนอกชั้นบรรยากาศของโลก (AM0 = 1.35 กิโลวัตต์ต่อตารางเมตร) เซลล์แสงอาทิตย์ที่มีโครงสร้างแบบ “ทริป-เปิล-จังชัน” นี้ จำเป็นต้องมีองค์ความรู้เกี่ยวกับด้านการปรับเปลี่ยนพื้นผิวและรอยต่อระหว่างชั้นเพื่อลดความบกพร่อง (defect states) ที่มักจะเกิดขึ้น ณ บริเวณตำแหน่งพื้นผิวและรอยต่อ ความบกพร่องนี้จะดักจับ (trap) ประจุอิสระไม่ให้เคลื่อนที่ไปยังขั้วไฟฟ้าภายนอก ส่งผลให้ประสิทธิภาพของเซลล์ฯ มีค่าลดลง เซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไกท์เป็นเซลล์แสงอาทิตย์ที่มีโครงสร้างคล้ายคลึงกับ “ทริป-เปิล-จังชัน” กล่าวคือ ประกอบด้วย 3 ชั้นหลักซ้อนทับกัน ได้แก่ ชั้นรับประจุอิเล็กตรอน (Electron transporting layer; ETL) ชั้นดูดกลืนแสงเพอรอฟสไกท์ (Perovskite absorber) และชั้นรับประจุโฮล (Hole transporting layer; HTL) ดังนั้น การขึ้นรูปโครงสร้างเซลล์ลักษณะนี้ จำเป็นต้องมีทักษะความชำนาญในการใช้เทคโนโลยีสุญญากาศขั้นสูง ตลอดจน มีความรู้ในการคัดเลือกวัสดุชั้นรับประจุได้เหมาะสม เช่น การเข้ากันได้ของค่าระดับพลังงานของอิเล็กตรอนระหว่างชั้น ETL  และชั้นดูดกลืนแสง และ การเข้ากันได้ของค่าระดับพลังงานของโฮลระหว่างชั้น HTL  และชั้นดูดกลืนแสง อีกทั้งยังต้องมีองค์ความรู้ในเรื่องการปรับเปลี่ยนพื้นผิวและรอยต่อเพื่อลดการดักจับประจุอิสระ ซึ่งเป็นสาเหตุหลักที่ทำให้ประสิทธิภาพของเซลล์ลดลง

     โครงการวิจัยนี้ เป็นโครงการแบบบูรณาการ ที่ผนึกรวม อาจารย์ นักวิจัย ทั้งในด้าน ฟิสิกส์ วัสดุศาสตร์ วิศวกรรมศาสตร์ ที่มีความเชี่ยวชาญด้านเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไกท์ทั้งในด้านการทดลอง และการคำนวณแบบจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ ที่มีการร่วมมือด้านงานวิจัยอย่างเข้มแข็งและต่อเนื่อง นักวิจัยในทีมได้เผยแพร่ผลงานในวารสารชั้นนำ Applied Physics Letter (DOI: 10.1063/1.4826116) ถูกอ้างอิงมากกว่า 230 ครั้ง  และ ณ ขณะนี้ นักวิจัยในทีมมีความพร้อมและความชำนาญการในการออกแบบและประดิษฐ์เซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไกท์ต้นแบบได้ประสิทธิภาพเฉลี่ยสูงถึง 18% (ประสิทธิภาพสูงสุดระดับโลกรายงานที่ค่า 25%) โดยทุกกระบวนการสังเคราะห์ ขึ้นรูปชั้นโครงสร้าง การวัดและการทดสอบสามารถดำเนินการได้ในประเทศทุกขั้นตอน

     โครงการวิจัยเรื่อง “การประเมินผลการเร้าด้วยโฟตอนพลังงานสูงบนวัสดุเพรอฟสไกท์และเซลล์แสงอาทิตย์ ในบริบทเริ่มต้นของเทคโนโลยีอวกาศของประเทศไทย” กำหนดระยะเวลาการดำเนินงานโครงการรวม 3 ปี  โดยมุ่งเน้นตั้งแต่ ออกแบบ-สร้าง-วิเคราะห์ และพัฒนาวัสดุสารกึ่งตัวนำสมัยใหม่ของไฮบริดเฮไลด์เพอรอฟสไกท์ (Hybrid halide perovskites) และพัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์ต้นแบบประสิทธิภาพสูง (ที่มีประสิทธิภาพสูงมากกว่า 20 เปอร์เซ็นต์) เพื่อเพิ่มมิติใหม่ของการพัฒนางานวิจัยระดับแนวหน้าโดยทีมนักวิจัยไทย และประยุกต์เป็นแหล่งจ่ายพลังงานไฟฟ้าให้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในเทคโนโลยีอวกาศของประเทศ ทั้งนี้เสถียรภาพและความคงทนของวัสดุ รวมถึงประสิทธิภาพเซลล์แสงอาทิตย์แบบเพอรอฟสไกท์ในสภาวะเร้าด้วยโฟตอนพลังงานสูง จะเป็นองค์ความรู้สมัยใหม่ ที่จำเป็นเร่งด่วนต่อนักวิจัยที่เกี่ยวข้องทั่วโลกในการใช้ประโยชน์จากวัสดุเพอรอฟ สไกท์/เซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไกท์กับเทคโนโลยีอวกาศในระบบนอกโลก ดังนั้น การศึกษาการเปลี่ยนแปลงเชิงโครงสร้าง เชิงแสง เชิงไฟฟ้า อาทิ การเคลื่อนที่ของประจุอิสระ การเกิดสถานะบกพร่อง ตลอดจนการเปลี่ยนแปลงหมู่ฟังก์ชันที่พื้นผิวของวัสดุเพอรอฟสไกท์ รวมถึงวัสดุชั้นอื่นที่ใช้ประดิษฐ์เซลล์ฯ อันเนื่องมาจากการพุ่งชนด้วยโฟตอนฟลังงานสูง ตัวอย่างเช่น รังสีแกมมา (g-Ray) รังสีเอ็กซ์ (X-ray) อนุภาคโปรตอน (proton) และ/หรือ ฮีเลียม (He²⁺) ที่ความเข้มและเวลาในการพุ่งชนที่แตกต่างกัน ทั้งการศึกษาในภาคการทดลองและการคำนวณแบบจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ จะเป็นองค์ความรู้พื้นฐานที่สำคัญและจำเป็นสำหรับการเติมเต็มและส่งเสริมการพัฒนาเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์แบบเพอรอฟสไกท์ในระบบนอกโลกและอวกาศไปในทิศทางที่ถูกต้อง

     กล่าวให้ละเอียดยิ่งขึ้น การศึกษาวิจัยในโครงการนี้ จะเป็นการรวมองค์ความรู้พื้นฐานที่ได้รับจากการศึกษาทั้งในเชิงทฤษฎี การคำนวนเชิงคอมพิวเตอร์ และในภาคการทดลอง อันกอปรด้วย การจำลองเชิงคอมพิวเตอร์เพื่อศึกษาการเคลื่อนที่ของประจุอิสระ และการกระเจิงของประจุภายใต้สภาวะเร้าโฟตอนพลังงานสูง การสร้างระบบจำลองคอมพิวเตอร์แบบ  density functional theory เพื่อศึกษาผลกระทบการปรับเปลี่ยนหมู่ฟังก์ชันที่พื้นผิววัสดุ และจำลองการพุ่งชนด้วยโฟตอนพลังงานสูงที่มีต่อการเกิดความบกพร่องที่พื้นผิวของวัสดุเพอรอฟสไกท์ ในภาคการทดลอง จะศึกษาอิทธิพลของการอาบโฟตอนพลังงานสูง โดยจะใช้โฟตอนในย่านที่หลากหลาย อาทิ ในย่านอินฟราเรด (infrared) แสงที่มองเห็นได้ (visible light) ยูวี (ultra-violet) และรังสีเอ็กซ์ (X-ray) ที่กำเนิดจากแสงซินโครตรอน จากสถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน) ที่ระดับความเข้มของโฟตอนและเวลาในการอาบที่แตกต่างกัน ที่มีต่อการเปลี่ยนแปลงสมบัติที่สำคัญๆ ของวัสดุเพอรอฟสไกท์ต่อการประยุกต์ในเซลล์แสงอาทิตย์ เช่น การเปลี่ยนแปลงสมบัติเชิงโครงสร้าง (structural property) ความสามารถในการดูดกลืนแสง (absorption) การเปลี่ยนแปลงค่าช่องว่างแถบพลังงาน (energy gap) การเปลี่ยนแปลงสมบัติสถานะของอิเล็กตรอน (electronic states) ศึกษาการเข้ากันได้ของระดับพลังงานของอิเล็กตรอนของวัสดุเพอรอฟสไกท์กับวัสดุขนส่งอิเล็กตรอน โดยจะทำการวิเคราะห์แบบโอเปอร์แรดโด สเปกโทรสโครปี (operando spectroscopy) และ นอนโอเปอร์แรดโด (non-operando spectroscopy) โดยการใช้เซอร์เฟสโฟโตโวลเทจ (surface photovoltage spectroscopy: SPV) ซึ่งเป็นเทคโนโลยีการวัดและวิเคราะห์สภาพความบกพร่อง (defect states) ที่ได้รับการถ่ายทอดองค์ความรู้และเทคโนโลยีจากนักวิจัยระดับโลก Prof. Dr. Thomas Dittrich จากสถาบันวิจัย Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) ประเทศเยอรมนี  โดยจะสามารถวิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงเชิงโครงสร้างของวัสดุเพอรอฟสไกท์ (phase separation) การเกิดสภาพบกพร่อง (defect states) ณ บริเวณพื้นผิวของวัสดุสารกึ่งตัวนำ และเซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไกท์ ทั้งนี้การศึกษาเสถียรภาพหรือความคงทนของวัสดุเพอรอฟสไกท์ และเซลล์ฯ ต้นแบบประสิทธิภาพสูง 20 เปอร์เซ็นต์ ในสภาพจำลองผันผวนของอุณหภูมิสูงถึง 120 องศาเซลเซียล และในสภาพสุญญากาศ รวมถึงเมื่อโฟตอนพลังงานสูงตกกระทบชิ้นงานในทิศทางที่แตกต่างจะถูกศึกษาอย่างเป็นระบบ รวมถึงการศึกษาพารามิเตอร์เฉพาะของเซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไกท์ต้นแบบที่มีการเปลี่ยนแปลงภายใต้สภาพจำลองผันผวนดังกล่าว