סיקור מקיף

אלקטרונים דמויי גל בחומרים אורגניים יחוללו מהפכה בתחום האנרגיה הסולארית

חומרים אורגניים גמישים ורכים, הם המפתח לתאים סולאריים זולים שניתן יהיה להדפיסם בטמפרטורת החדר – עולם שונה לחלוטין מהעולם המסורתי הכולל בתוכו תהליכים יקרים המבוססים על הטכנולוגיות הנוכחיות של סיליקון.

תאי שמש. צילום: shutterstock
תאי שמש. צילום: shutterstock

חוקרים הצליחו לכוונן את יכולת הקוהרנטיות בננו-מבנים אורגניים בזכות הגילוי המפתיע של אלקטרונים דמויי-גל בחומרים אורגניים, תוך שהם חושפים בכך את המפתח ליצירת "מטענים בעלי זמן חיים ארוך" בתאים סולאריים אורגניים – גילוי שיוכל להביא למהפכה בתחום האנרגיה הסולארית.

בעזרת שימוש במצלמה מהירה במיוחד, חוקרים טוענים כי הם הצליחו לצפות ברגעים הראשונים ממש שלאחר הבליעה של אור ע"י ננו-מבנים אורגניים וסינתטיים ומצאו כי המטענים החשמליים לא רק שנוצרים במהירות אלא שהם גם מתפזרים במהירות רבה לאורך מרחק גדול – תופעה המתרחשת בשל טיבם דמוי-הגל של האלקטרונים הנשלטים ע"י החוקים היסודיים של המכאניקה הקוונטית.

תוצאה זו הפתיעה את המדענים מאחר והיא נחשבה כמוגבלת למבנים אי-אורגניים "מושלמים" ויקרים בלבד, ולא לחומרים אורגניים גמישים ורכים, שהם המפתח לתאים סולאריים זולים שניתן יהיה להדפיסם בטמפרטורת החדר – עולם שונה לחלוטין מהעולם המסורתי הכולל בתוכו תהליכים יקרים המבוססים על הטכנולוגיות הנוכחיות של סיליקון.

המחקר, שפורסם זה עתה בכתב-העת המדעי היוקרתי Science, מאיר באור חדש את המנגנון המסתורי המאפשר למטענים חיוביים ושליליים להיפרד זה מזה באופן יעיל – שאלה קריטית המאתגרת את המדענים עד היום – אור חדש המקדם את המדענים שלב אחד קרוב יותר לחיקוי יעיל של היכולת המעולה בטבע לנצל את אור השמש, תהליך הפוטוסינתזה, שהתפתח במשך אלפי שנים. "זוהי תוצאה מפתיעה מאוד. תופעה קוונטית שכזו בדרך כלל מוגבלת לגבישים מושלמים של מוליכים למחצה אי-אורגניים, ואף אחד לא מצפה להבחין בתופעות הללו גם במולקולות אורגניות שהמבנה שלהן הרבה יותר מעוות ומבולגן," אמר ד"ר Simon Gélinas, מאוניברסיטת קיימברידג' ואוניברסיטת קליפורניה בסנטה ברברה.

במהלך מספר הפמטושניות הראשונות (מיליונית המיליארדית של השניה) כל מטען מתפזר בקרב מולקולות רבות במקום להיות מתוחם למולקולה יחידה. תופעה זו, הידועה בשם "קוהרנטיות מרחבית" (spatial coherence), מאפשרת למטען לעבור בזמן קצר ביותר מרחק של מספר ננומטרים ולהימלט מהמטען המנוגד לו – שלב ראשוני שהוא כנראה האחראי ליצירתם של מטענים בעלי זמן חיים ארוך, מסבירים החוקרים. מנגנון זה יכול לשמש ליצירת חשמל מתוך תגובות כימיות. ע"י ארגון מדוקדק של מבנה המולקולות, החוקרים מצאו כי אפשר לכוונן את הקוהרנטיות המרחבית ואף להגביר או להקטין את ההפרדה ארוכת-המרחק הזה. "ייתכן כי הדבר החשוב ביותר הוא בכך שהתוצאות מציעות כי מאחר והתהליך הוא כה מהיר הוא גם יעיל אנרגטית, מה שיוכל להוביל לפיתוח תאים סולאריים המספקים אנרגיה רבה יותר," אמר החוקר הראשי.
הידיעה על המחקר

8 תגובות

  1. יש מקומות כמו למשל מצפה רמון שזה כבר מכסה את עצמו היום (למעשה כבר ב-2011) https://www.hayadan.org.il/no-avoidance-of-solar-panels-261211/
    אבל אם תשאל את הבלוג הירוק ושות' זה אף פעם לא יהיה כלכלי ותמיד ידרוש 100% גיבוי ממקורות אחרים (למרות שהנסיון מדבר שתמהיל של אנרגיה חלופית דורש רק 25% גיבוי לשעות הלילה, חורף ולמקרה של שילוב עם אנרגית הרוח – כאשר הרוח חלשה.)

  2. שאלה – כמה שנות פיתוח עומדות ביננו לבין פנלים סולריים בטכנולוגיה הזו בייצור מסחרי…?

  3. X

    הקרנה של אור על חומר אורגני יוצרת אקסיטון (זוג קשור של אלקטרון וחור),
    אם הבנתי נכון ציפו כי החומר האורגני יהיה מוליך למחצה עם gap גדול כך
    שהאקסיטונים ייוצרו ב- gap. כנראה שהערור גרם ליצירת זוג אלקטרון חור
    חופשי וכך יצר מטענים חופשיים אבל מכאן עד לשמה של הכתבה,
    "אלקטרונים דמויי גל בחומרים אורגניים יחוללו מהפכה בתחום האנרגיה הסולארית"
    המרחק גדול. אין מה להתפלא כי האלקטרונים הם גלים במוליך למחצה זה נובע
    ממשפט בלוך.

  4. החידוש כנראה נוגע בעיקר ביכולת לעקוב אחר הפרדת המטענים בחומרים אורגניים כתוצאה מהקרנה באור, תוך חיקוי השלב הראשון בתהליך הפוטו-סינתזה הטבעי, בסקלת זמנים של פמטו-שניות.

  5. מהות הגילוי ה"חדשני" בהחלט לא ברורה. העובדה כי אלקטרונים בשריג ניתנים לתיאור
    כגלים ידועה עוד מימיו של פליקס בלוך שפרסם זאת ב-1928. יתכן כי בחומרים אורגניים
    ציפו לקבל לוקלזציית אנדרסון כתוצאה מאי-הסדר במבנה הסריגי. תופעה שבו אי-סדר
    גורר לוקלזציה של אלקטרונים, אבל על פניו אלקטרון בשריג הוא גל ולא חלקיק ממוקם.

  6. לא "אלקטרונים דמויי גל" אלא טבעם הגלי של האלקטרונים; גם לא "טיבם דמוי-הגל של האלקטרונים" אלא מהותם הגלית של האלקטרונים… דואליות גל חלקיק כמו של הפוטון, מתקיימת גם לגבי האלקטרון.

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר. שדות החובה מסומנים *

דילוג לתוכן