תהליך חדש, המנצל בו-זמנית הן את אנרגית האור והן את אנרגית החום של קרינת השמש לשם ייצור חשמל, עשוי להניב יעילות כפולה ויותר מאשר זו של תאים סולאריים הקיימים היום. כך טוענים מהנדסים מאוניברסיטת סטנפורד
תהליך חדש, המנצל בו-זמנית הן את אנרגית האור והן את אנרגית החום של קרינת השמש לשם ייצור חשמל, עשוי להניב יעילות כפולה ויותר מאשר זו של תאים סולאריים הקיימים היום. כך טוענים מהנדסים מאוניברסיטת סטנפורד אשר גילו את התהליך והוכיחו את פעילותו זו.
התהליך, המכונה " פְּלִיטָה תֶּרְמִיּוֹנִית מוגברת פוטון" ("photon enhanced thermionic emission"), יוכל להפחית את עלויות הייצור של אנרגיה סולארית כך שתוכל להיות ברת-תחרות מול נפט כמקור אנרגיה. המהנדסים מאוניברסיטת סטנפורד גילו כיצד ניתן להשתמש בו-זמנית באור ובחום המגיעים מהשמש בכדי לייצר חשמל בדרך שתוכל להפוך את הייצור של כוח סולארי ליעיל פי שניים ויותר מאשר שיטות קיימות היום, ולהפוך אותו בכך לזול דיו בכדי שיהיה בר-תחרות יחסית לנפט.
שלא כמו בשיטות פוטו-וולטאיות המשמשות היום בלוחות סולאריים – בהן היעילות פוחתת ככל שהטמפרטורה עולה – התהליך החדש דווקא מצטיין בטמפרטורות גבוהות. בתהליך החדשני טמון הפוטנציאל לקבלת יעילות הגבוהה מזו של שיטות המרה תרמיות או פוטו-וולטאיות.
"זוהי פריצת-דרך תפיסתית אמיתית - תהליך חדשני להמרת אנרגיה, ולא רק חומר חדש או שינוי קטן," אמר Nick Melosh, פרופסור למדע החומרים ולהנדסה, אשר הוביל את קבוצת המחקר. "זוהי למעשה שיטה שונה לחלוטין לניצול אנרגיה." ובנוסף, החומרים הנדרשים לבניית המתקן המנצל את השיטה הינם זולים וזמינים, כלומר – האנרגיה המיוצרת באמצעותה תהיה כלכלית. ממצאי המחקר פורסמו בכתב-העת המדעי Nature Materials.
"ההדגמה כי התהליך עובד הייתה עניין גדול עבורנו," אמר החוקר הראשי. "והראנו כי המנגנון הפיסיקאלי אכן מתרחש ופועל כפי שחזינו."
רוב התאים הפוטו-וולטאים, כגון אלו הקיימים בלוחות הסולאריים שעל גגות הבניינים, משתמשים בחומר המוליך-למחצה צורן לשם המרת אנרגיה מהפוטונים של האור לחשמל. אולם תאים אלו מסוגלים להשתמש רק באחוז קטן מספקטרום האור, בעוד ששאר הקרינה מומרת לחום.
חום זה, שמקורו בקרינה בלתי-זמינה של השמש, ומגבלות בתחום היעילות של התאים עצמם הם המקור לאובדן של יותר מחמישים אחוזים מהאנרגיה הסולארית הראשונית המגיעה לתא.
אם ניתן יהיה לנצל את אנרגיית החום הזו בדרך כלשהי, אזי תאים סולאריים יוכלו להיות יעילים הרבה יותר. המגבלה הייתה שטמפרטורות גבוהות נדרשות להפעלת מערכות המרה מבוססות-חום, בעוד שיעילות התא הסולארי פוחתת באופן חד בטמפרטורות גבוהות. עד היום, אף אחד לא הצליח למצוא דרך לכרוך יחדיו שיטות המרה של חום ותאים סולאריים.
קבוצת המדענים גילתה כי באמצעות ציפוי פיסה של החומר המוליך-למחצה בשכבה דקיקה של המתכת צזיום, החומר יכול היה לנצל הן את האור והן את החום לשם יצירת חשמל.
"מה שהראנו הוא תהליך פיסיקאלי חדש שאינו מבוסס על מנגנונים פוטווולטאים רגילים, אך כזה שמסוגל להניב תגובה דמוית-פוטווולטאית בטמפרטורות גבוהות," מסביר החוקר. "למעשה, התהליך פועל טוב יותר בטמפרטורות גבוהות יותר. ככל שהיא עולה כך התהליך יעיל יותר."
בעוד שתאים סולאריים מבוססי-צורן הופכים לבלתי-פעילים ברגע שהטמפרטורה מגיעה למאה מעלות צלסיוס, ההתקן החדשני לא מגיע לשיא היעילות שלו אלא מעל מאתיים מעלות צלסיוס. מאחר שהמערכת פועלת באופן מיטבי בטמפרטורות שהן הרבה מעל אלו שאליהן מגיעים לוחות סולאריים רגילים, ההתקן יפעל באופן הטוב ביותר בתוך רַכָּז קרינת שמש (concentrator) כמו צלחות קעורות (צלחות לווין) המגיעות לטמפרטורה של 800 מעלות צלסיוס. צלחות מסוג זה משמשות בחוות סולאריות גדולות כמו אלו הקיימות במדבר מווהאבי שבדרום קליפורניה ואשר כוללות לרוב מנגנון להמרת חום כחלק מהעיצוב ההנדסי, מה שמאפשר הזדמנות נוספת להתקן החדש לסייע ביצירת חשמל.
מערכות פוטוולוטאיות לעולם לא מגיעות לטמפרטורות מספיק גבוהות שמאפשרות ניצול של החום העודף ע"י מערכות המרת חום, בעוד שהטמפרטורות הגבוהות שבהן פועלת המערכת החדשה מושלמות לניצול חום זה. החוקרים חישבו ומצאו כי המערכת שלהם תגיע ליעילות של חמישים אחוזים עבור רכז סולארי, אולם אם משלבים אותה גם עם מערכת למחזור חום, היעילות עשויה להגיע ל- 60-55 אחוזים – כמעט פי שלושה מהיעילות של מערכות קיימות. המהנדסים מעוניינים לעצב את ההתקנים החדשים באופן שיתאימו למערכות קיימות, כך שתהליך ההמרה יהפוך חסכוני מספיק.
החוקרים השתמשו במוליך-למחצה גליום ניטריד בניסויים שלהם עבור הוכחת הרעיון עצמו, כיוון שזהו החומר היחיד שיכול היה לעמוד בטמפרטורות גבוהות שכאלה. בניסויים עם חומר זה היעילות אומנם הייתה פחותה ממה שחושב, אולם החוקרים מאמינים כי הם יצליחו למצוא את החומר המתאים, אולי גאליום ארסניד, או אחר, שבו היעילות המחושבת אכן תתקבל. יתרון נוסף במערכת טמון בעובדה כי כמות החומר המוליך-למחצה הנדרשת מועטה למדי. עובדה זו גם היא תתרום רבות להפחתת העלויות.