פיתוח תאי-שמש אורגניים

סוג חדש של תאי-שמש מסחריים – זולים, גמישים וקלים לייצור – קרובים מאי-פעם להיות מציאותיים הודות למחקר שבוצע לאחרונה במכון הלאומי של תקנים וטכנולוגיה בארה”ב (NIST)

סוג חדש של תאי-שמש מסחריים – זולים, גמישים וקלים לייצור – קרובים מאי-פעם להיות מציאותיים הודות למחקר שבוצע לאחרונה במכון הלאומי של תקנים וטכנולוגיה בארה”ב (NIST).

תאים פוטו-וולטאיים אורגניים, המבוססים על פרודות אורגניות המשמשות ללכידת קרינת השמש והמרתה לחשמל, הינם תחום מחקר משגשג מאחר והם בעלי יתרונות משמעותיים יחסית לתאי-צורן קשיחים רגילים. תא פוטו-וולטאי (PV) או תא סולארי הוא התקן סולארי להפקה ישירה של אנרגיה חשמלית על ידי קליטת קרינה אלקטרומגנטית מן השמש. חסרון השיטה הוא בעלות הגבוהה יחסית של הפקת חשמל, שכן מחירם של הלוחות הפוטו וולטאים עדיין גבוה יחסית.

תאים אורגניים אלו מתחילים בתור סוג של דיו, שניתן להחדירו למשטחים גמישים ליצירת רכיבי תאים סולאריים הניתנים לפרישה בשטחים נרחבים באותה הקלות שבה אנו פורשים שטיח. הם אומנם אמורים להיות זולים יותר לייצור ומתאימים יותר למגוון רחב של יישומי אנרגיה, אולם גודל השוק המסחרי שלהם הינו מוגבל, עד אשר הטכנולוגיה תשתפר.

אפילו התאים היעילים ביותר מסוג זה הקיימים היום ממירים רק פחות משישה אחוזים מהקרינה המגיעה אליהם לחשמל ועמידים למשך מאות אחדות של שעות בלבד. “בתעשייה מאמינים כי אם תאים אלו יגיעו לעשרה אחוזי ניצולת ולאורך חיים של עשרת אלפי שעות, אימוץ הטכנולוגיה יואץ משמעותית,” אומר אחד מהחוקרים. “אולם, בכדי לשפר אותם ישנו צורך חיוני באפיון התהליכים המתרחשים בחומר עצמו – ובנקודה זו אנו רק בתחילת הדרך.”

צוות המחקר הנ”ל קידם את ההבנה הזו בעזרת מאמציהם החדשים ביותר, המספקים שיטת מדידה חדשה ועוצמתית לתאים פוטו-וולטאיים אורגניים ואשר חושפת דרכים לשלוט בהכנתם. במשפחת התאים הנפוצים ביותר מסוג זה ה”דיו” הינו תערובת של פולימר, הסופג אור שמש ומשחרר את האלקטרונים שבו, ופרודה דמוית כדורגל, הקרויה פולרן, הלוכדת את האלקטרונים הללו. כאשר מחדירים את הדיו למשטח, התערובת מתמזגת לתוך ציפוי המכיל רשת בלתי-סדורה של פולימרים המעורבבים עם פרודות הפולרן. בהתקנים רגילים, רצוי שהרשת הפולימרית כולה תגיע לתחתית הציפוי בעוד שרצוי שרכיבי הפולרנים כולם יגיעו לצידו השני, כך שהחשמל יוכל לזרום בכיוון הנכון אל מחוץ להתקן. אולם, אם נוצרים מתחמי פולרנים בין שכבת הפולימרים לקצה התחתון של המעטה, הרי שיעילות התא יורדת.

בעזרת מדידות ספיגת קרני-רנטגן של ממשק השכבות, הצוות גילה כי באמצעות שינוי אופי משטח האלקטרודה הפולרנים יידחו ממנה (בדומה לדחייה הקיימת בין מים לשמן) בעוד שהפולימרים יימשכו אליה. גם תכונותיהם החשמליות של הממשק משתנות באופן חד. המבנה המתקבל מספק לזרם האלקטרונים שמקורו בקרינת האור הזדמנויות רבות יותר להגיע לאלקטרודות המתאימות וכן מפחית את ההצטברות של הפולרנים בתחתית הציפוי – שני שינויים משמעותיים העשויים לשפר את יעילות התא ואורך חייו.

“הצלחנו לזהות חלק מגורמי-המפתח הנדרשים לשם שיפור ההתנהגות בשני קצותיו של הציפוי, מה שאומר שלתעשייה תהיה שיטה יעילה לשיפור ביצועיהם הכוללים של התאים,” מסביר אחד מהחוקרים. “כרגע, אנו מתבססים על המידע שהפקנו לגביי קצות הציפוי בכדי להבין מה מתרחש בדיוק בכל שטחו של הציפוי. ידע זה חשוב ביותר לתעשייה לשם ההבנה כיצד פועלים ונשחקים תאי-שמש אורגניים ולשם פיתוח תאים יעילים ומאריכי-חיים יותר.”

הידיעה ממכון המחקר