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.
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.