בזכות שתי טכנולוגיות שפותחו ע"י פרופסור Benoît Marsan וצוות המחקר שלו מהמחלקה לכימיה באוניברסיטת קוויבק אשר במונטריאול, קנדה, העתיד המדעי והמסחרי של תאים סולאריים יוכל להשתנות לחלוטין. החוקרים מצאו פתרונות לשתיים מהבעיות שבשני העשורים האחרונים עיכבו את ההתפתחות של תאים סולאריים יעילים וחסכוניים.
ממצאי המחקר פורסמו בשני מאמרים נפרדים בכתבי-העת המדעיים Journal of the American Chemical Society ו- Nature Chemistry. מחקר שלישי שפורסם בכתב-העת המדעי Nano Letters מתאר בניית תאים סולאריים מפחמן.
כדור-הארץ סופג יותר אנרגיה סולארית בשעה אחת מאשר כל הצריכה השנתית של האנושות כיום. למרבה הצער, למרות פוטנציאל אדיר זה, אנרגיה סולארית בקושי מנוצלת. החשמל המיוצר ע"י תאים סולאריים רגילים, המורכבים מחומרים מוליכים-למחצה כגון סיליקון, יקרים פי חמישה עד שישה יותר ממקורות אנרגיה מסורתיים, כגון דלקים מאובנים ואנרגיה הידרואלקטרית. במשך השנים, צוותי מחקר רבים ניסו לפתח תא סולארי שיהיה הן יעיל במונחים של אנרגיה והן זול לייצור.
אחד מהתאים הסולאריים המבטיחים ביותר פותח בתחילת שנות התשעים ע"י פרופסור Michael Graetzel משוויץ. בהתבססו על עיקרון הפוטוסינתזה – התהליך הביוכימי שבאמצעותו צמחים ממירים אנרגיית שמש לסוכרים (חומרי המזון שלהם) – תא סולארי מסוג Graetzel מורכב משכבות נקבוביות של ננו-חלקיקים של צבען (פיגמנט) לבן – טיטאניום דיאוקסיד – המצופות בחומר-צבע מולקולארי הקולט את אור השמש, בדומה לכלורופיל המצוי בעלים הירוקים של הצמחים. טיטאניום הדיאוקסיד המצופה בפיגמנט טבול בתמיסה אלקטרוליטית וזרז מבוסס פלטינה משלים את המערכת.
כפי שקיימות בתא אלקטרוכימי רגיל (כגון סוללות אלקליות) שתי האלקטרודות (אנודת הטיטאניום דיאוקסיד וקתודת הפלטינה בתא Graetzel) ממוקמות משני צידיו של מוליך נוזלי (האלקטרוליט). אור-שמש עובר דרך הקתודה והאלקטרוליט, ואז מושך אלקטרונים מאנודת הטיטאניום דיאוקסיד, מוליך-למחצה המצוי בתחתית התא. אלקטרונים אלו נעים דרך תיל מהאנודה לקתודה, תוך יצירת זרם חשמלי. בדרך זו, אנרגית השמש מומרת לחשמל.
רוב החומרים המשמשים להכנת תאים סולאריים חסכוניים, גמישים וקלים להפקה אלו, מאפשרים להם להיות מוטמעים במגוון נרחב של חפצים וחומרים. בתיאוריה, לתאים אלו יש פוטנציאל אדיר. למרבה הצער, חרף הרעיון המצוין הטמון בו, לסוג זה של תאים יש שתי בעיות עיקריות שמונעות ממנו להפוך למסחרי: האלקטרוליט הינו – א) קורוזיבי ביותר, דבר המפחית את עמידותו; ב) בעל צבע דחוס, דבר המונע את המעבר היעיל של האור; ו- ג) מגביל את המתח הפוטוולטאי ל- 0.7 וולטים.
הקתודה מצופה בפלטינה, חומר שהינו יקר, בלתי-שקוף ונדיר. חרף ניסיונות רבים, עד לתרומתו האחרונה של פרופסור Marsan, אף אחד עדיין לא מצא פתרון מספק לבעיות אלו.
צוות המחקר עבד במשך שנים מספר על התכנון של תא סולארי אלקטרוכימי. בעבודה שלהם מעורבות טכנולוגיות חדשניות, עליהן התקבלו פטנטים רבים. החוקרים הבינו כי שתי הטכנולוגיות שפותחו עבור התא האלקטרוכימי יוכלו לשמש גם עבור תאים סולאריים מסוג Graetzel, במיוחד כך: עבור האלקטרוליט – פרודות מסוג חדש לחלוטין הוכנו במעבדה והתקבלו בריכוז גבוה. הנוזל-קריש המתקבל הינו שקוף ובלתי קורוזיבי ויכול להגביר את המתח הפוטוולטאי, וע"י כך את קיבולת ועמידות התא.
עבור הקתודה – ניתן להחליף את הפלטינה היקרה בקובלט סולפיד, שהינו זול הרבה יותר. בנוסף, ניתן להכין את החומר הזה במעבדה בצורה יעילה, יציבה ופשוטה יותר.
תאים סולאריים מבוססי-פחמן
דר. משה נחמני
כימאים מאוניברסיטת בלומינגטון באינדיאנה, ארה"ב, המציאו פתרון יוצא-דופן להכנת יריעות פחמן רחבות המשמשות לקליטת אור – חיבור טלאי תלת-מימדי לכל אחד מצידי יריעת הפחמן. באמצעות שיטה זו, טוענים המדענים, הם הצליחו להמיס יריעות המכילות עד 168 אטומי פחמן, לראשונה אי-פעם.
"העניין שלנו נובע מהרצון למצוא חומר חלופי וזמין שיוכל לקלוט אור באופן יעיל," אמר הכימאי Liang-shi Li, אשר הוביל את המחקר. "כיום, החומרים הנפוצים ביותר לקליטת אור בתאים סולאריים הינם צורן (סיליקון) ותרכובות המכילות רותניום (ruthenium), כאשר לכל אחד מהסוגים יש את חסרונותיו שלו."
חסרונותיהם העיקריים הינם העלות הגבוהה וחוסר זמינות לטווח ארוך. תאים סולאריים מבוססי-רותניום עשויים אומנם להיות זולים מאשר אלו המבוססים על צורן, אולם רותניום הינו מתכת נדירה בכדור-הארץ, בדומה לפלטינה, וייעלם במהרה באם הביקוש אליו יגבר. פחמן זול ונפוץ, ובצורתו כגרפן מסוגל לקלוט טווח נרחב של קרינת אורכי-גל. למעשה, גרפן דומה לגרפיט, למעט העובדה שהוא מורכב מחד-שכבה של אטומי פחמן. החומר גרפן כבר הוכיח את יכולותיו לשמש כחומר חלופי, יעיל, זול לייצור ופחות רעיל, לחומרים אחרים המשמשים היום בתאים סולאריים. אולם, חומר זה אינו אהוד ע"י המדענים.
על-מנת שיריעת הגרפן תהיה שימושית בקליטת פוטונים שמקורם באור השמש, עליה להיות גדולה. אולם, על-מנת להשתמש באנרגיה הסולארית שנקלטה ליצירת חשמל, אסור שהיריעה תהיה גדולה מדי. למרבה הצער, מדענים גילו כי העבודה עם יריעות גרפן גדולות מסובכת, וכי קשה לשלוט בגדלים שלהן. ככל שיריעת הגרפן גדולה יותר, כך היא דביקה יותר, עובדה הגורמת לה להימשך ולהידבק ליריעות גרפן אחרות. אולם, היווצרות ערימת יריעות גרפן שכזו מונעת זרימה של חשמל דרכן.
כימאים ומהנדסים המנוסים בעבודה עם גרפן פיתחו שלל שיטות לקבלת יריעות גרפן נפרדות. הפתרון היעיל ביותר, עד למחקר זה, היה פרוק החומר גרפיט (מלמעלה-למטה) ליצירת יריעות וכריכת פולימרים סביבן לשם שמירתן מופרדות זו מזו. אולם שיטה זו מביאה לקבלת יריעות בעלות גדלים אקראיים שהינן גדולות מדי לשם קליטת אור עבור תאים סולאריים.
החוקרים ניסו רעיון אחר. באמצעות חיבור קבוצת-צד תלת-מימדית קשיחה-למחצה, גמישה למחצה, לצידי הגרפן, הם הצליחו לקבל יריעות גרפן בעלות 168 אטומי פחמן שנותרו נפרדות ולא נצמדו האחת לשנייה. באמצעות שיטה זו, הם הצליחו לייצר יריעות גרפן מפרודות קטנות יותר (מלמטה-למעלה) ולשמור על גודל אחיד שלהן. עבור מדענים בתחום, זוהי יריעת הגרפן היציבה הגדולה ביותר שנוצרה בגישה של מלמטה-למעלה.
ה"טלאי" הצדדי מורכב מטבעת פחמן משושה ושלושה "זנבות" מחודדים המורכבים מפחמן ומימן. מאחר ויריעת הגרפן קשיחה, טבעת הצד שחוברה לה מוכרחה להסתובב בתשעים מעלות יחסית למישור היריעה. שלושת הזנבות, מאידך, חופשיים לנוע, אולם שניים מתוכם נוטים לסגור את יריעת הגרפן אליה הם מחוברים.
יחד עם זאת, הזנבות לא מתפקדים ככלוב פשוט. הם ממלאים גם תפקיד של "עוגנים" לממס האורגני המאפשרים להמיס את המבנה כולו. החוקרים הצליחו להמיס שלושים מיליגרמים של החומר בשלושים מילימטרים של ממס. "במחקר זה, מצאנו דרך להמסת גרפן," אומר החוקר. "מאפיין זה חשוב לא פחות מגודלו הנרחב של הגרפן עצמו."
לשם בדיקת יעילות הגרפן שלהם כקולטי אור, המדענים בנו תאים סולאריים בסיסיים שהורכבו מתחמוצת טיטאניום כחומר קולט האלקטרונים. המדענים הצליחו לקבל צפיפות זרם של 200 מיקרואמפרים לסמ"ר ומתח של 0.48 וולטים. יריעות הגרפן קלטו כמות משמעותית של אור בטווח הנראה עד האינפרא-אדום הקרוב (900-200 ננומטרים) עם שיא קליטה ב- 591 ננומטרים.
כעת, המדענים נמצאים בשלב של תכנון מחדש של יריעות הגרפן כך שיכילו קצוות דביקים שיאפשרו חיבור לתחמוצת הטיטאניום, מאפיין שישפר את יעילות התאים הסולאריים עוד יותר.
"איסוף אנרגיה מהשמש הינו שלב ראשון הכרחי," אומר החוקר הראשי. "היכולת להמיר אנרגיה זו לחשמל הינה השלב הבא. אנו מאמינים כי יש לנו התחלה טובה."