רכיבים פוטווולטאים מבוססי גרפן יאפשרו קולטי שמש זולים יותר

קבוצת חוקרים מאוניברסיטת קליפורניה הדרומית הכינה שכבות גמישות ושקופות המבוססות על אטומי פחמן שטמונה בהן יכולת גבוהה לשמש כסוג חדשני של תאים סולאריים

קבוצת חוקרים מאוניברסיטת קליפורניה הדרומית הכינה שכבות גמישות ושקופות המבוססות על אטומי פחמן שטמונה בהן יכולת גבוהה לשמש כסוג חדשני של תאים סולאריים.

“תאים פוטווולטאים אורגניים (Organic photovoltaic cells, OPV) מוצגים כאמצעים לחיסכון באנרגיה בזכות פשטות הפקתם, קלות משקלם והתאמתם הגבוהה לחומרים גמישים,” כתב Chongwu Zhou, פרופסור להנדסת אלקטרוניקה מאוניברסיטת קליפורניה הדרומית, במאמר שפורסם בכתב-העת המדעי ACS Nano. השיטה המתוארת במאמר מהווה התקדמות של ממש לעבר תכנון חדשני של תאים מסוג זה שהינם בעלי יתרונות משמעותיים, בייחוד בהיבט של גמישות פיסית.

רכיב חיוני של כל התקן פוטו-אלקטרוני מסוג OPV הינו אלקטרודה מוליכה שקופה שבאמצעותה אור מסוגל להגיב עם חומרים פעילים לקבלת חשמל. המחקר החדש מצביע על כך שבגרפן, צורה מוליכה ושקופה ביותר של פחמן, המורכבת משכבות פחמן בעובי של אטום יחיד, טמונה יכולת ניכרת לשמש בתפקיד זה. למרות העובדה כי קיומו של גרפן ידוע מזה עשורים, מחקרו הנמרץ החל רק בשנת 2004, וזאת עקב הקושי לייצרו באיכות ובכמות גדולה.

חוקרי מעבדתו של Zhou דיווחו לפני שלוש שנים על הפקה של שכבות גרפן בקנה-מידה גדול באמצעות שיטה המכונה “שיקוע אדים כימי” (chemical vapor deposition, CVD). באמצעות שיטה זו צוות המדענים הצליח להכין שכבות גרפן דקיקות במיוחד ע”י שיקוע ראשוני של אטומי פחמן בצורת שכבות גרפן על-גבי משטח ניקל מתוך גז מתאן.

בשלב הבא, הם מיקמו שכבת מגן תרמו-פלסטית ע”ג שכבת הגרפן, ואז המיסו את שכבת הניקל התחתונה בעזרת נוזל חומצתי. בשלב האחרון הם חיברו את שכבת הגרפן המוגנת בפלסטיק ליריעת פולימר גמישה, ואז שילבו אותה בתוך תא OPV. צוות המחקר הצליח לייצר שכבות גרפן/פולימר המשתרעות בגודלן עד לכדי שטח של 150 סמ”ר, ואלו ניתנות לשימוש לקבלת מערכים צפופים של תאי OPV גמישים.

תאי OPV ממירים את קרינת השמש לחשמל, אך יעילותם פחותה מזו של תאי צורן (סיליקון). האנרגיה הנוצרת ע”י אור-שמש ביום בהיר וחם הינה כאלף ואטים לכל מטר רבוע. “מכל אלף ואטים של קרינת שמש הפוגעת בשטח של מטר רבוע של תא סולארי מבוסס צורן, מתקבלים 14 ואטים של חשמל,” מסביר אחד מהחוקרים. “תאים סולאריים אורגניים פחות יעילים; יעילות ההמרה שלהם עבור אותם אלף ואטים של קרינת השמש בתאים מבוססי-גרפן תביא לקבלת 1.3 ואטים בלבד.”

אולם, תאי OPV מבוססי-גרפן מפצים, ואף יותר מכך, על חסרונם ביעילות באמצעות עלות נמוכה יותר וגמישות פיסית גבוהה יותר. החוקרים סבורים כי בסופו של דבר ניתן יהיה לייצר משטחים נרחבים המצופים בתאים סולאריים מסוג זה, בדומה לייצור של גלילי עיתונים ע”י מכבשי הדפסה.

“ניתן יהיה לתלות את המשטחים הללו כוילונות בבתים או אפילו לייצר מהם סיבים שישמשו כביגוד מייצר חשמל. אני יכול לדמיין לעצמי אנשים המספקים חשמל לטלפונים או להתקני המוסיקה/וידאו הניידים שלהם בעודם רצים ביום שמשי,” הוא מוסיף.

החוקרים טוענים כי לתאים החדשים שלהם אמור להיות לפחות יתרון משמעותי אחד אל מול העיצוב המתחרה של תאי OPV המבוססים על תחמוצת אינדיום-בדיל (Indium-Tin-Oxide, ITO). בניסויים שנערכו במעבדתם, טוענים החוקרים, תאי ITO כשלו לאחר כיפוף בזווית קטנה, בעוד שהתאים שלהם נותרו פעילים גם לאחר כיפופים חוזרים ונשנים בזויות מתיחה גדולות יותר. ממצא זה יעניק לתאים סולאריים מבוססי-גרפן יתרון מכריע במספר יישומים, בכללם אריגים “מודפסים”, כפי שהציעו החוקרים.

המאמר מסכם וטוען שהגישה החדשנית מהווה התקדמות משמעותית לעבר הייצור של אלקטרודות מוליכות שקופות בתאים סולאריים. “שיקוע אדים כימי של גרפן עונה על רוב התנאים החשובים הנדרשים להחלפת תחמוצת אינדיום-בדיל ברכיבים פוטווולטאים אורגניים, בכללם: תפוצה גבוהה, עלות נמוכה, מוליכות, יציבות, התאמה לרכיבים אורגניים וגמישות פיסית, אשר אמורים להוביל לפיתוח יישומים חשובים בהתקנים אופטו-אלקטרוניים אורגניים עתידיים.”

הידיעה מהאוניברסיטה