סיקור מקיף

שיטה זולה לייצור תאים סולאריים מננו-חוטים

יש למצוא דרכים לייצורם של תאים סולאריים מרכיבים זולים באמצעות תהליכים כימיים זולים ודלים בצריכת אנרגיה, והם צריכים להיות מסוגלים להמיר את אור השמש לחשמל באופן יעיל ותחרותי

פיידונג יאנג, כימאי מהמחלקה למדעי החומרים במעבדה הלאומית ע"ש לורינס בברקלי
פיידונג יאנג, כימאי מהמחלקה למדעי החומרים במעבדה הלאומית ע"ש לורינס בברקלי

תאים סולאריים (או פוטווולטאים) מייצגים את אחת מהטכנולוגיות הסבירות ביותר לאספקת מקור אנרגיה נקי לחלוטין ובלתי נדלה בפועל, שתוכל לספק את צורכי הקיום של האנושות. אולם, על מנת שחלום זה יהפוך למציאות יש למצוא דרכים לייצורם של תאים סולאריים מרכיבים זולים באמצעות תהליכים כימיים זולים ודלים בצריכת אנרגיה, והם צריכים להיות מסוגלים להמיר את אור השמש לחשמל באופן יעיל ותחרותי.

צוות מחקר מהמעבדה הלאומית ע"ש לורנס ברקלי, השייכת למשרד האנרגיה של ארה"ב, הצליח עתה להשיג שתיים מתוך שלוש דרישות אלו ועובד בקדחתנות על הדרישה השלישית.

החוקר Peidong Yang, כימאי מהמחלקה למדעי החומרים במעבדה, הוביל את המחקר שהביא לפיתוחה של שיטה מבוססת-תמיסה לייצור של תאים סולאריים המבוססים על מבנה של ננו-חוט בתצורת ליבה/קליפה (core/shell nanowire solar cells) באמצעות שימוש במוליכים למחצה קדמיום סולפיד (עבור הליבה) ונחושת סולפיד (עבור המעטפת). תאים סולאריים מבוססי ננו-חוטים אלו הינם זולים ופשוטים להכנה, והם בעלי תכונות עדיפות מאשר תאים סולאריים רגילים במבנה שטוח. נוסף על כך, ננו-החוטים החדשים הציגו יעילות המרת אנרגיה של 5-4 אחוזים, המהווה ערך בר-תחרות לתאים סולאריים שטוחים.

"זוהי הפעם הראשונה אי-פעם ששיטה כימית של החלפת קטיונים מבוסס-תמיסה שימשה לייצור של ננו-חוטים בתצורת ליבה/מעטפת המורכבים מחד-גביש באיכות גבוהה של קדמיום סולפיד ונחושת סולפיד," מציין החוקר הראשי. "ההישג שלנו, בשילוב עם קליטת האור המוגברת שאותה הדגמנו בעבר עבור מערכים של ננו-חוטים, מצביעים על כך כי ננו-חוטים בתצורת ליבה/מעטפת הם אכן רכיב מבטיח בפיתוח של טכנולוגיית תאים סולאריים עתידית." ממצאי המחקר פורסמו בכתב העת המדעי Nature Nanotechnology.

תאים סולאריים רגילים הקיימים היום בשוק מורכבים ממשטחים של חד-גבישי צורן טהורים במיוחד המחייבים שימוש בעובי של 100 מיקרומטרים מחומר יקר מאוד זה על מנת לקלוט כמות מספקת של אור שמש. יתרה מכך, רמת הטיהור הגבוהה הנדרשת הופכת את הייצור של אפילו התא הסולארי השטוח הפשוט ביותר לתהליך מורכב, עתיר אנרגיה ויקר.

חלופה מבטיחה במיוחד תהיה ננו-חוטים מוליכים למחצה – פסים חד-מימדיים של חומרים שעוביים מגיע לאלפית מעובייה של שיערת אדם יחידה, אולם אורכם עשוי להגיע אפילו למילימטר. תאים סולאריים המבוססים על ננו-חוטים מספקים מספר יתרונות לעומת תאים סולאריים שטוחים רגילים, לרבות הפרדת מטען ויכולות איסוף אנרגיה טובות יותר, ובנוסף לכך, ניתן לייצר אותם מחומרים נפוצים ולא מצורן הדורש עיבוד מורכב ויקר. אולם, עד היום, היעילות הנמוכה של תאים סולאריים מבוססי ננו-חוטים הכריעה את היתרונות שלהם.

"תאים סולאריים מבוססי ננו-חוטים שפותחו בעבר היו בעלי יעילות שהייתה נמוכה ממקביליהם השטוחים," מציין החוקר הראשי. "סיבות אפשריות לביצועים דלים אלו כוללות חיבור-מחדש בפני השטח ובקרה מוגבלת על איכות צמתי p-n כאשר נעשה שימוש בתהליכי אילוח בטמפרטורה גבוהה."

הבסיס לכל התאים הסולאריים הקיימים היום בשוק הוא שתי שכבות נפרדות של חומרים, אחת בעלת שפע של אלקטרונים המתפקדת כקוטב שלילי, ואחת בעלת שפע של חורי אלקטרונים (חללי אנרגיה טעונים חיובית) המתפקדת כקוטב החיובי. כאשר נקלטים פוטונים מהשמש, האנרגיה שלהם משמשת ליצירת זוגות של אלקטרון-חור, המופרדים בשלב הבא בצומת p-n (הממשק שבין שתי השכבות) ונאספת כחשמל.

לפני כשנה, בעודם עובדים עם צורן, החוקרים פיתחו דרך זולה להמיר את צמתי ה- p-n המצויים בתאים סולאריים רגילים בצומת p-n מעגלי שבו שכבה של צורן מסוג-n יוצרת מעטפת מסביב לליבת ננו-חוט של צורן מסוג-p. גיאומטריה זו הפכה באופן יעיל כל אחד מננו-החוטים הפרטניים לתא פוטווולטאי ושיפרה עד מאוד את יכולות קליטת האור של שכבות דקיקות פוטו-וולטאיות מבוססות צורן. כעת, החוקרים ניצלו את הגישה הזו ליצירת ננו-חוטים בתצורת ליבה/מעטפת תוך שימוש בקדמיום סולפיד ונחושת סולפיד, אולם הפעם באמצעות כימיית תמיסה, שאינה מחייבת תנאים של טמפרטורות גבוהות.
הידיעה על המחקר

6 תגובות

  1. תודה רבה על התגובה וההסבר.
    חשבתי כבר שכולם ברוגז איתי,והתחלתי לבכות ו……………

    ועכשיו קצת יותר ברצינות
    אם הבנתי נכון,אז אתה אומר שהטכנולוגיות החדשות,שהן הרבה יותר זולות ליצור
    הן פשוט בעלות נצילות נמוכה בהרבה מטכנולוגיית הסיליקון הוותיקה והיקרה ???

    אם כן,אז ההשוואה הנכונה ביותר היא עלות וואט אחד בטכנולוגיה החדשה והזולה,
    לעומת עלות של וואט אחת בטכנו. סיליקון.

    עד כמה שידועה לי עלות וואט בטכנו. סליקון היא בסביבות 4.5$ (בארץ,לאחר יבוא,ביטוח-הובלה וכו')
    זה לפאנלים הגדולים כמובן. מעל 80 וואט.
    בחו"ל המחיר הוא בסביבות 1.7$ לוואט עד איזור ה – 2.8$ לוואט.

    מעניין אם ישנה דרך לחשב עלות זו (לוואט) בטכנו.החדשות ??????

    אם כן,אשמח מאוד לדעת,אפילו בהערכה מאוד גסה.

    תודה רבה על ההסבר והתגובה.
    חג שמח,וכל טוב.

  2. תאי סיליקון שאתה מחזיק בבית מגיעים כיום לנצילויות כמו שאתה מדבר.
    טכנולוגיות מתחרות (לדוגמה, DSSC) מגיעים היום עד לכ-10 אחוז ניצולת, וכיום כבר מיוצרים באופן מסחרי (אמורים להיות זולים יותר באופן משמעותי, לא ידוע לי שיש יצרן בארץ, אבל שמעתי שיש יבואן כלשהו).
    הכתבה פה מציגה שיטה נוספת, מדעית, ליצור תאים סולרים.
    חלק מהבעיות הן הנדסיות (זמן חיים, יציבות בטמפרטורות שונות וכדומה), וחלק הן אחרות, אך כיום אין עדיין תחרות אמיתית לתאים מבוססים סיליקון(אשר יקרים יותר משמעותית).

  3. קראתי כאן לא מעט מאמרים על תאים סולאריים,וברובם הוצגו לחיוב וכהשיג נצילות "משופרת"
    של 4-5 % ולפעמים גם 6%.
    העניין מאוווווד תמוה ומאווווווד לא מובן לי.אני כנראה מפספס משהו.

    שכן אני מחזיק בשני פאנלים בעלי נצילות של קצת מעל 16%.
    וכמו כן ישנם כיום פאנלים בעלי נצילות של קצת מעל 18%.

    והשאלה הנשאלת כאן היא…..
    מה אני מפספס ?????????????????????????????

    דבר נוסף שקצת מרגיז הוא שכבר לא מעט שנים (מעל 5) אנו שומעים\קוראים על שיטות זולות
    יותר לייצור,כשלמעשה המחירים רק עולים.אמנם רק במעט אבל לא ממש רואים ירידת מחירים.

    בשנה האחרונה קצת עלו המחירים עקב ביקוש מאוד גבוה באירופה,והעובדה שהיצרנים לא
    ממש עמדו בביקוש.

    אשמח מאוד לתשובה,לפחות על השאלה הראשונה.ויותר אשמח אם היא תהיה בשפה פשוטה
    כדי שאוכל להבין.(אין לי רקע אקדמאי.רק טכני).

    תודה וגמר חתימה טובה.

  4. ההתקדמות בתחום מבורכת אך אינה מספקת, אנרגיה (או במחסור בה) משפיע על הגיאופוליטיקה העולמית וככל שיקדימו לפתור את "בעיית האנרגיה", כך יטב לכולנו. (עד שימצאו מקור חדש לסכסוך בין עמים)

  5. מעניין מאוד.
    אבל מתי יצליחו להגביר את היעילות של אנרגיה סולארית? היעילות כל כך נמוכה… זה בזבוז עצום של אנרגיה.

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.

דילוג לתוכן