ידענים: אנרגיית השמש

מאת 11 באוגוסט 2017 5 תגובות

לתכנון החדש, שממיר אור שמש ישיר לחשמל עם נצילות של 44.5 אחוז, יש פוטנציאל להיות התא הסולרי היעיל ביותר בעולם

תא סולארי מוערם. איור: מתיו לאמב

תא סולרי מוערם. איור: מתיו לאמב

חוקר מאוניברסיטת ג'ורג' וושינגטון עזר לתכנן ולבנות אב טיפוס של תא סולארי חדש המשלב תאים מרובים שמוערמים להתקן אחד שיכול ללכוד כמעט את כל האנרגיה של הספקטרום הסולרי.
לתכנון החדש, שממיר אור שמש ישיר לחשמל עם נצילות של 44.5 אחוז, יש פוטנציאל להיות התא הסולארי היעיל ביותר בעולם.
הגישה שונה מהפנלים הסולאריים שרואים בדרך כלל על גגות או בשדות. בהתקן החדש משתמשים בפנלים עם רכז פוטו-וולטאי (פ"ו) עם עדשות שמרכזות קרני שמש על תאים סולריים זעירים בגודל מיקרו. בגלל הגודל הקטן שלהם — פחות ממילימטר רבוע אחד — אפשר לפתח באופן משתלם תאים סולאריים שמשתמשים בחומרים יותר מתוחכמים.
המחקר, "תאים סולאריים מבוססי גליום אנטימון לקצירת האנרגיה של הספקטרום הסולארי המלא", פורסם בכתב העת "חומרי אנרגיה מתקדמים".
התא המוערם פועל כמעט כמו נפה לאור השמש, והחומרים המיוחדים בכל שכבה סופגים את האנרגיה של קבוצה ספציפית של אורכי גל, אמר מתיו לאמב, המחבר המוביל של המחקר ומדען מחקר בבית הספר להנדסה ומדע שימושי. כשהאור עובר דרך כל הערימה, קצת פחות ממחצית האנרגיה הזמינה מומרת לחשמל. לשם השוואה, התא הסולארי הכי נפוץ כיום ממיר רק רבע מהאנרגיה הזמינה לחשמל.
"בסביבות 99 אחוז מהאנרגיה שמכיל אור השמש הישיר שמגיע אל פני כדור הארץ הוא בין אורכי הגל 250 ננומטר ו-2,500 ננומטר, אבל החומרים הרגילים של תאים סולאריים עם צמתים מרובים ונצילות גבוהה לא יכולים ללכוד את כל התחום הספקטרלי הזה", אמר ד"ר לאמב. "ההתקן החדש שלנו מסוגל לשחרר את האנרגיה שאצורה בפוטונים עם אורך גל ארוך, שהולכים לאיבוד בתאים סולאריים רגילים, ולכן מאפשר מסלול למימוש התא הסולארי עם צמתים מרובים האולטימטיבי".
המדענים עובדים על פיתוח תאים סולריים יותר יעילים כבר שנים, אבל לגישה הזאת יש שני היבטים חדשניים. היא משתמשת במשפחה של חומרים שמבוססים על מצעי גליום אנטימון (GaSb), שבדרך כלל מוצאים אותם ביישומים של גלאי אור ולייזר אינפרא אדום. את התאים הסולריים מבוססי GaSb אלה מרכיבים לתוך מבנה מוערם יחד עם תאים סולריים עם נצילות גבוהה שגודלו על מצעים רגילים ולוכדים פוטונים סולאריים עם אורכי גל קצרים יותר. בנוסף, בתהליך העירום משתמשים בטכניקה בשם הדפסת העברה, שמאפשרת הרכבה תלת מימדית של ההתקנים הזעירים האלה עם דיוק גבוה.א
התא הסולרי הספציפי הזה מאוד יקר, אבל החוקרים מאמינים שהיה חשוב להראות את הגבול העליון של מה שאפשרי מבחינת נצילות. למרות העלויות העכשוויות של החומרים הכלולים, הטכניקה שבה השתמשו ליצירת התאים נראית מבטיחה, אומרים החוקרים. בסופו של דבר אפשר יהיה להביא לשוק מוצר דומה שיתאפשר על ידי הפחתת עלויות בגלל רמות מאוד גבוהות של ריכוז סולרי וטכנולוגיות למיחזור מצעי הגידול היקרים.

המחקר מסתמך על ההתפתחויות שנעשו בתוכנית MOSAIC, פרויקט מחקר של 24 מיליון דולר שמומן על ידי הסוכנות לפרויקטי מחקר מתקדמים – אנרגיה שמממנת 11 צוותים נפרדים ברחבי ארצות הברית שעוסקים בפיתוח טכנולוגיות ורעיונות שיחוללו מהפכה בביצועים הפ"ו ויפחיתו עלויות. המימון של מחקרים מסוג זה חיוני לפיתוח של טכנולוגיות מסחריות בנות קיימא בעתיד, אומרים החוקרים.

להודעה של החוקרים

למאמר המדעי

 

אבי בליזובסקי

עורך אתר הידען ([email protected]) כל המאמרים של אבי בליזובסקי באתר הידען

5 תגובות ל “מדענים מתכננים תא סולארי שלוכד כמעט את כל האנרגיה של הספקטרום הסולרי”

  1. אבי

    לדעתי תאים סולריים כאלה או אחרים זה העתיד וזה מה שיפתור את כל הבעיות שלנו עם אנריגה עם הפד"ח והתחממות הגלובלית….
    כל הגגות במדינה צריכים להיות עם תאים סולריים, זה צריך להיכנס לחוק כמו שמחייבים להתקין דוד שמש .
    אבל הבעיה היא כנראה ניגוד אינטרסים ופוליטיקה, כנראה שחברת חשמל והמדינה שמרוויחים מהדלק לא כלכך מעוניינים בזה.

  2. א

    המהפכה תבוא מירידה בעלויות ייצור. ועוד יותר משיפור בסוללות. אנרגיה ירוקה לא שווה הרבה בלי אמצעי יעיל לאגירת חשמל. השיפור הגדול יגיע דווקא בזכות עולם הרכב שיהפוך לחשמלי.
    התרומה שלו לפיתוח טכנולוגיות של סוללות גדולות ולא פחות חשוב פיתוח של טכנולוגיות ייצור זולות יותר תיהיה אולי אפילו גדולה יותר מאשר התרומה הישירה של הפחתת זיהום. ( כמובן שיש הבדל בדרישות של סוללה לרכב וסוללה לאגירת אנרגיה ירוקה. הדגש ברכב הוא על משקל, נפח, ודחיסות אנרגיה. ואילו לאגירת אנרגיה פחות חשוב הנפח ובכלל לא חשוב המשקל. לאומת זאת יותר חשוב המחיר ליחידה וכמות בזבוז האנרגיה בטעינה.

  3. ניסים

    קונאן
    לגבי 2: זה נכון אבל… מה קורה אם יש הרבה קרינה בגלים ארוכים ופחות בגלים קצרים? במקרה הזה, לא כדאי להתרכז דווקא בגלים הארוכים?

  4. קונאן

    כל זה טוב ויפה, אבל:
    1. כבר לפני מספר שנים החלט בניסויים לשימוש בכל טווח הספקטרום האפשרי של השמש לשם ייעול השימוש באור השמש. אינני זוכר אם היתה זו אותה הקבוצה או קבוצת מדענים אחרת – אך מאז לא פורסמו התקדמות וסטטוס של המחקר – האם בגלל קשיים מדעיים או קשיים תקציביים?
    2. אור עם אורך גל ארוך יותר הוא בעל פחות אנרגייה יחסית לאורכי גל קצרים יותר; אם כך – מדוע לא להשתמש בקרינת UV-A ו-UV-B לשם הגדלת האנרגייה המופקת מספקטרום השמש שלנו, במקום שימוש באור אינפרא-אדום?
    3. לבסוף, במהלך שימוש בתא פוטו-וולטאי יש שני מנגנונים חשובים: האחד הוא היכולת ליצור הפרדת מטען קלה יחסית באטום/מולקולה שבשימוש, והשני הוא מניעת רקומבינציה, בה המטען המופרד חוזר ומתחבר, כך שבעצם לא הרווחנו מקליטת האור. מדוע אין כאן התייחסות לתהליכים אלה?

  5. אחד

    בסוף הכל עניין של מחיר, כבר הצליחו להגיע לנצילות של כמעט 40% עם תא של גליום ארסניד (צומת בודדת), (ונדמה לי שעם מבנה של כמה צמתים הגיעו לנצילות של 60%) אבל עדיין למעט אפילקציות שמצריכות נקודתית נצילות גבוהה ברוב העולם מתשמשים בתאים מסיליקון (עם נצילות בסדר גדול של 10%), כי סיליקון הרבה יותר זול (גם כחומר גלם וגם מבחינת תהיליכי ייצור).
    לדעצי פריצת דרך בתחום תוכל לבוא משני כיוונים אפשריים:
    1. יצירת מבנה של מספר צמתים מסיליקון -אומנם לסיליקון יש פער עקיף, אבל טכנולוגיות הייצור מאפשרות דיוק שביצירת מבנים בסדר גודל ננומטרי (בעלות נמוכה יחסית).
    2. מעבר לטכנולגיה שלא מבוססת על מוליכים למחצה (ולכן לא תלויים בפער האנרגיה של החומר), למשל שימוש בננו אנטנות, או באופטקה לא לינארית (יש הרבה אתגרים בתחום הזה שעדיין לא התגברו עליהם), אבל לפי מיטב ידיעתי באופן תיאורטי אפשר להגיע לנצילויות מאוד גבוהות בטכניקות האלו (באזור 80%)

הוספת תגובה

  • (will not be published)