סיקור מקיף

שיטה חדשה להכנת תאים סולאריים זולים ויעילים יותר

השמש תספק די והותר אנרגיה למילוי כל הצרכים שלנו, רק אם נוכל לנצלה באופן זול ויעיל. אנרגיה סולארית תוכל לספק חלופה נקייה לדלקי-מאובנים, אולם העלות הגבוהה של ייצור תאים סולאריים מהווה מגבלה משמעותית לניצולם הנפוץ.

Stacey Bent, פרופסור להנדסה כימית, מחזיקה תא סולארי מבוסס נקודות קוונטיות
Stacey Bent, פרופסור להנדסה כימית, מחזיקה תא סולארי מבוסס נקודות קוונטיות

חוקרים מאוניברסיטת סטנפורד בארה"ב מצאו כי הוספת שכבה יחידה של מולקולות אורגניות לתא הסולארי מסוגלת להגביר את היעילות שלו פי שלושה, וכן תוכל להוביל לפיתוחם של לוחות סולאריים זולים ויעילים יותר. ממצאי מחקר זה פורסמו בכתב-העת המדעי ACS Nano.

הפרופסור להנדסה כימית סטייסי בנט החלה להתעניין בפיתוח טכנולוגיה סולארית מסוג חדש לפני שנתיים. תאים סולאריים אלו משתמשים בחלקיקים זעירים של מוליכים-למחצה המכונים "נקודות קוונטיות." ההפקה של תאים סולאריים מבוססי נקודה קוונטית זולה יותר משיטות רגילות, מאחר והיא עושה שימוש בתגובות כימיות פשוטות. אולם, למרות ההבטחה הטמונה בהם הם מפגרים מאוד יחסית לתאים סולאריים קיימים מבחינת היעילות.

"אני תוהה אם נוכל להשתמש בידע שלנו בכימיה לשם שיפור היעילות שלהם," אומרת החוקרת. אם היא אכן תצליח לעשות כן, העלות הפחותה של תאים סולאריים אלו תוכל להוביל לאימוץ נרחב של טכנולוגיה זו. בעיקרון, תאים מבוססי נקודות קוונטיות יוכלו להשיג יעילות גבוהה יותר, מסבירה החוקרת, וזאת בשל מגבלות בסיסיות של תאים סולאריים רגילים.

תאים סולאריים פועלים באמצעות השימוש באנרגיה המגיעה מהשמש על-מנת לעורר אנרגטית אלקטרונים. אלקטרונים מעוררים אלו עוברים מרמת אנרגיה נמוכה לרמה גבוהה יותר, תוך הותרת "חור" במקום ממנו הם הגיעו. תאים סולאריים מנצלים חומר מוליך-למחצה על-מנת להוליך את האלקטרונים בכיוון אחד, ובחומר שונה על-מנת להוליך את החורים לכיוון אחר. זרימה זו של אלקטרונים וחורים היא האחראית לקבלת זרם חשמלי.

אולם, נדרשת כמות מינימאלית מסוימת על-מנת להפריד לחלוטין בין האלקטרון לבין החור שלו. כמות זו שונה עבור כל חומר וחומר והיא תלויה באורך-הגל (הצבע) של האור שהחומר קולט באופן הטוב ביותר. סיליקון הוא החומר הנפוץ בתאים סולאריים מכיוון שכמות האנרגיה הנדרשת לעורר את האלקטרונים שבו קרובה לאורך-הגל של אור נראה. אולם, לתאים סולאריים המורכבים מחומר יחיד יש יעילות מרבית של 31 אחוזים בלבד – מגבלה שמקורה בכמות האנרגיה הקבועה שהם מסוגלים לקלוט.

בתאים סולאריים מבוססי נקודה קוונטית מגבלה זו אינה קיימת ועל-כן הם מסוגלים להיות יעילים הרבה יותר. רמות האנרגיה של האלקטרונים בנקודות קוונטיות של מוליכים למחצה תלויות בגודל שלהן – ככל שהנקודה קטנה יותר, כך נדרשת כמות אנרגיה גדולה יותר על-מנת לעורר את האלקטרון ולהעלות אותו לרמה הגבוהה יותר.

כך, שניתן לכוונן את הנקודות הקוונטיות שתוכלנה לקלוט אורך-גל מסוים מהאור פשוט באמצעות שינוי הגודל שלהן. כן ניתן להשתמש בהן בכדי לבנות תאים סולאריים מורכבים יותר הכוללים יותר מסוג אחד של נקודה קוונטית בעלת גודל מוגדר, מה שיאפשר קליטת מספר רב של אורכי-גל.

החוקרים ציפו מוליך-למחצה של דו-תחמוצת הטיטאניום בתוך התא הסולארי מבוסס הנקודה הקוונטית בחד-שכבה דקיקה מאוד של מולקולות אורגניות. מולקולות אלו התארגנו עצמאית, כלומר יחסי-הגומלין שבין המולקולות גרמו להן להתארגן יחדיו באופן סדור. הנקודות הקוונטיות מוקמו בממשק שבין השכבה האורגנית לבין המוליך-למחצה. החוקרים ניסו מספר מולקולות אורגניות שונות במטרה לבחון מהו החומר הטוב ביותר להגברת יעילות התאים.

החוקרים גילו כי הסוג המסוים של המולקולות אינו משנה – עצם הנוכחות של חד-שכבה אורגנית בעלת עובי הקטן מננומטר הספיקה בכדי להכפיל פי שלושה את היעילות של התאים הסולאריים. "היינו מופתעים מתוצאה זו – סברנו כי המוליך למחצה יהיה רגיש ביותר לסוג המולקולות המסוים," אמרה החוקרת.

החוקרת מוסיפה ואומרת כי התוצאה הייתה בעצם הגיונית במבט לאחור, והחוקרים פיתחו מודל חדש – התלות היא באורך המולקולה, ולא בטיבה המסוים. מולקולות שהינן גדולות מדי לא מאפשרות לנקודות הקוונטיות להגיב כהלכה עם המוליך-למחצה.

התיאוריה של החוקרים טוענת כי מרגע שאנרגית השמש יוצרת זוג של אלקטרון–חור, השכבה האורגנית הדקיקה מסייעת בהפרדתם, ומונעת מהם מלחבור יחדיו מחדש ולהתבזבז בכך. החוקרים עדיין לא שיפרו את פעילות התאים הסולאריים שלהם, ועד עכשיו הם השיגו ניצולת של 0.4 אחוזים בלבד. ועדיין, החוקרים יכולים לשנות מספר מאפיינים בתא, ואכן, מרגע שיעשו זאת הגברת היעילות פי שלושה, שנובעת מנוכחותה של השכבה האורגנית הדקיקה, תהיה הרבה יותר משמעותית.

החוקרת הראשית מסבירה כי הנקודות הקוונטיות שבהן היא משתמשת כיום, המורכבות מהחומר קדמיום סולפיד, אינן אידיאליות עבור תאים סולאריים והחוקרים מתכננים לבחון חומרים אחרים. בנוסף, הם מתעתדים לבחון גם מולקולות אחרות להכנת השכבה האורגנית, ולשנות את העיצוב של התא הסולארי על-מנת לנסות ולהשיג קליטת כמות אור גדולה יותר ולהפיק ע"י כך מטען חשמלי גדול יותר.

הידיעה על המחקר

שיתוף ב print
שיתוף ב email
שיתוף ב whatsapp
שיתוף ב linkedin
שיתוף ב twitter
שיתוף ב facebook

14 תגובות

  1. העלויות של חומרי הגלם גבוהות (כמו כן יש עודף ביקוש בשוק בשנים האחרונות עקב סובסידיות למשקיעים פרטיים\מוסדיים מצד ממשלות כמו גרמניה,ארה"ב,איטליה …. וגם ישראל בשנתיים האחרונות). יש מעט מאד חברות שעובדות אנכית – Vertical integrated על כל התהליך מייצור הפולי סיליקון עד לפאנל.
    כך שאומנם נוצר שוק תחרותי מריבוי החברות שמייצרות כל תהליך אך גם עלויות שינוע וחוזים ארוכי טווח כאלה ואחרים יוצרים תמחור גבוה.
    רק לסבר את האוזן רוב התאים מיוצרים מפולי סיליקון שעולה סביבות ה70-80 דולר לק"ג. מחיר יצרן לתא סולארי הוא סביבות ה1.1-1.3$ לוואט. (פאנל סביבות ה1.3-1.5€ לוואט)

  2. "היינו מופתעים מתוצאה זו …" כלומר המודל שבנו שהתבסס על ידע קיים לא היה נכון מבחינה מעשית, לכן לדעתי לא כדאי להשקיע הרבה בתאוריות יש תמיד לשלב בין מעשי לתאורטי, ניסוי קטן חוסך שנים של תאוריות שעלולות להתברר "כמפתיעות" בניסוי הקטן הראשון !
    שיהיה בהצלחה, ההצלחה שלהם היא ההצלחה של כולם !

  3. אבישי:
    גם האנרגיה שנקלטת בתאים הסולארים אינה מפסיקה להגיע לכדור הארץ. היא פשוט עושה עבודה לפני שהיא מתפזרת כחום וקרינה במקום להתפזר ישר.
    לכן אין דבר כזה "ניצול יתר".
    מצד שני, עקרונית אפשר לגרום נזק אקולוגי אם פורשים תאים סולאריים מעל לאזורים שחיים בהם בעלי חיים וצמחים כיוון שגם הם משתמשים לפעמים באנרגיה הסולארית

  4. יהודה:
    פטנט לא מקבלים על מה שעושים אלא על איך שעושים.
    לכן דבריך אינם נכונים.

  5. לאני רק שאלה
    פריצת דרך כשמה כן היא היא רק התחלה של דרך ארוכה מייגעת ולפעמים שאף נועדה לכשלון מסחרי.
    אבל כשכל כך הרבה כסף ומוחות טובים ויזמים רציניים כדוגמת שי אגסי דוחפים למימוש
    אני משוכנע שזה עניין של שנים ספורות עד שתרגיש את השינוי.
    קצבהגידול בכמות החשמל הסולארי עולה אף הוא כך שהשינוי מתגבר
    ב 2008 למשל סהכ 0.02% מכמות התצרוכת האנרגטית של האנושות באה מאנ' סולארית(ויקיפדיה)
    במאמר אחר טוענים ש 7% מכלל האנרגיה בעולם יוצרה ממקורות מתחדשים
    http://www.eia.doe.gov/cneaf/solar.renewables/page/trends/rentrends.html
    קצת אופטימיות וסבלנות 🙂

  6. אני קורא באתר הזה (כמעט על שני וחמישי) על כל כך הרבה פריצות דרך בתחום התאים הסולאריים, איך זה שהם עדיין לא החליפו את אנרגיית הנפט והפחם? איפה כל פריצות הדרך האלו מתבטאות באופן מעשי בשטח?

  7. השמש מספקת לכדור הארץ אנרגיה של כ- 10 בחזקת 24 ג'אולים
    המין האנושי משתמש בכ-10 בחזקת 18 ג'אולים
    (הנתונים לפי וקיפדיה)
    כך שמבחינה גלובלית, גם אם כל צרכי האנרגיה האנושית יגיעו מהשמש, עדיין זה לא ישנה הרבה את כמות האנרגיה שמגיעה כמו שהיא לכדור הארץ (הבדל של שישה סדרי גודל – מליונית ממה שהשמש מספקת).

  8. שלום,
    רציתי לדעת האם קיימים מחקרים על השפעות סביבתיות של ניצול ״יתר״ של אנרגיית השמש ?

  9. איזה יופי. גילו עוד דרך חסכונית ליצור תאים סולאריים.

    בשלוש השנים האחרונות גילו הרבה שיטות שנשמעות חסכוניות ויורידו עלויות.

    אני מחכה בקוצר רוח להוזלה משמעותית בתחום.
    לצערי הרב קניתי רק שני פנלים סולאריים, והלוואי שירד המחיר שאוכל לקנות נוספים.

  10. הגיע מצב שגם אם אין משהו משמעותי לחוקרים הם מעדיפים לפרסם כדי שתמיד יציינו שהם היו הראשונים. לדוגמא
    אף פעם לא התגלו חיים חוץ ארציים. זה ידוע. אבל אם כן יגלו, אזי נאסא תעמוד על כך שהיא פרסמה זאת קודם בספור על המטאוריט ש"הגיע " מהמאדים, שהוא כידוע הוכחה מאוד בעייתית.
    גם כאן בפרסום של אוניברסיטת סטנפורד מדובר על ציפוי שיוסיף ליעילות של תא פוטו אלקטרי, למעשה בלי יכולת ההוכחה שזה כך.
    בקיצור , כותרת מפוצצת בלי שיש אחריה משהו ממשי.
    כמובן מישהו אחר לא יוכל לעשות על זה פטנט כי זה כבר נאמר, ואם יעשה פטנט הוא יצטרך להגיע להסכם עם אוניברסיטת סטנפורד, מפרסמת המאמר.
    יום טוב
    סבדרמיש יהודה

  11. ליותם יוסף, שלום רב.
    אכן, תמיהתך מוצדקת ומובנת.
    אולם, יש להבין כי מקורן של ידיעות אלו הינו במחלקת הדוברות של האוניברסיטאות והחברות הפרטיות, ולכן מודגשים היתרונות ולא החסרונות.
    מעבר לכך, פרטים רבים ומדעיים יותר ניתן למצוא במאמר שבדר"כ מפורסם בעקבות התגלית. קישור למקור המאמר מופיע בכל ידיעה של הידען.

  12. לרן,

    אני לא מומחה אבל אני די בטוח שזה שילוב של חומר גלם עם דרגת ניקיון גבוה.

    לכותב, החוקרים הציגו ניצולת של 0.4 אחוז וטוענים שאפשר להגיע לנוצלת של בערך 30 – 40 אחוז (שזה מרשים). אבל לא הציגו תוצאות כאלו. האם הכותרת המפוצצת סנוורה אתכם ווויתרתם על הגישה הספקנית (שהיא ליבו של המדע)? הדבר גרוע יותר כשקוראים את המשפט:

    "ואכן, מרגע שיעשו זאת הגברת היעילות פי שלושה, שנובעת מנוכחותה של השכבה האורגנית הדקיקה, תהיה הרבה יותר משמעותית."

    משפט שנפתח במילה "ואכן" צריך להכיל בתוכו גם תוצאות התומכות במשפט הקודם.

  13. ש לי שאלה:
    מה הופך תאים סולריים ליקרים?
    עלות היצור או חומר הגלם ?
    תודה

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.

לוגו אתר הידען
דילוג לתוכן