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

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