סיקור מקיף

מחקר צופה כי הננוטכנולוגיה תגדיל משמעותית את יעילות הדור הבא של תאים סולריים

רוב הכוח הסולארי המסחרי מגיע מחומרים מוליכים למחצה. אבל בשנים האחרונות, מדענים כבר בודקים כיצד מבנים ננו טכנולוגיים של מוליכים למחצה יכולים להגביר את היעילות של תאים סולאריים והענף החדש יותר של דלקים סולאריים

פרופ' ארתור נוז'יק, NERL
פרופ' ארתור נוז'יק, NERL

כטכנולוגיית האנרגיה המתפתחת בקצב הגבוה בעולם, אנרגיה סולארית תופסת נתח הולך וגובר של אספקת האנרגיה של העולם. נכון לעכשיו, רוב הכוח הסולארי המסחרי מגיע מחומרים מוליכים למחצה. אבל בשנים האחרונות, מדענים כבר בודקים כיצד מבנים ננו טכנולוגיים של מוליכים למחצה יכולים להגביר את היעילות של תאים סולאריים והענף החדש יותר של דלקים סולאריים.

למרות המחלוקת שהייתה קיימת לגבי כמה הננו יכול לשפר תאים סולריים, סקירה אחרונה של מחקר זה על ידי ארתור נוזיק (Arthur Nozik), חוקר במעבדה הלאומית לאנרגיה מתחדשת (NREL) ופרופסור באוניברסיטת קולורדו, מגלה כי למבני ננו של מוליכים למחצה יש פוטנציאל משמעותי להמרת אנרגיה סולארית לחשמל.

בסקירה שפורסמה בגיליונו האחרון, נוזיק מסכם את המצב הנוכחי של מספר גישות לשיפור הפוטו-וולטאיות עם הננוטכנולוגיה. כפי שהוא מסביר, היתרונות של מבני ננו מוליכים למחצה נובעים מהכליאה הקוונטית של אלקטרונים שליליים וחורים חיוביים לאזורים קטנים מאוד של המרחב בננו קריסטלים. כליאה קוונטית יכולה להתרחש במימד אחד, שניים או שלושה. בשלושה ממדים, מוליכים למחצה נקראים "נקודות קוונטיות". בכל מצב כזה, כליאה קוונטית מייצרת אפקטים של קוונטיזציה, וכתוצאה מכך יוצרת מאפיינים אופטיים ואלקטרוניים ייחודים.

"ישנם שני יתרונות תיאורטיים מרכזיים של שילוב נקודות קוונטיות לתוך תאים פוטו-וולטאיים וסולאריים: יעילות גבוהה יותר ועלות נמוכה יותר" אמר נוזיק. "קיימת אפשרות תיאורטית בהתבסס על חישובים תרמודינמיים של הגדלת היעילות של התאים הסולריים כיום באופן משמעותי מאוד של 50-100%. בנוסף, נקודות קוונטיות יכולות להפחית את עלות ההון של ייצור תאים סולריים במונחים של עלות ליחידת שטח. השילוב של עלויות נמוכות ליחידת שטח ויעילות המרה גבוהה יותר יקטין את העלות של אנרגיה סולארית המבוטאת בעלות לואט. תאי סיליקון יקרים כיום (בערך פי 3 מעלות החשמל כיום), אבל נקודות קוונטיות מבוססות על שיטות כימיות פחות יקרות ומאפשרות פתרונות בטמפרטורה נמוכה, מה גם שהן יכולות להפיק יעילות המרה גבוהה יותר. עם זאת, יש עדיין הרבה עבודה עד שהנקודות הקוונטיות תהיינה זמינות מסחרית".

העיקרון הבסיסי של תאים סולריים הוא לקלוט פוטונים מקרינה (בדר"כ מהשמש) עם אנרגיות מעל הפער האנרגטי (band gap) של המוליכים למחצה, ולהשתמש בפוטונים ליצירת אלקטרונים חופשיים וחורים (שנקראים "נושאי מטען"). על מנת להגביר את היעילות של המערכת, חשוב ליצור הרבה נושאי מטען מהפוטונים הנקלטים. זה המקום בו האפקטים של הכליאה הקוונטית הופכים לשימושיים, בזמן שהאפקטים משלבים אלקטרונים שנוצרו בתהליך הפוטו-וולטאי עם חורים לזוגות משולבים הנקראים אקסיטונים (excitons), ומעודדים הקמה יעילה של יותר מאקסיטון אחד מפוטון יחיד שנקלט. בנקודות הקוונטיות התהליך נקרא MEG ("יצירת אקסיטונים מרובים"). בין היתרונות שלה, מג יעילה יותר ויכולה להתרחש בפוטונים עם אנרגיה נמוכה באזור גלוי של ספקטרום השמש לעומת תהליך השכפול של נושאי מטען במוליכים למחצה רגילים (תהליך הנקרא יינון, שמוגבל בדרך כלל לאזורים האולטרא-סגולים שם פוטוני השמש נעדרים או נדירים).

כדי ליצור אקסיטונים מרובים, תהליך מג חייב להתחרות עם קירור מהיר של ראשוני האקסיטונים הנוצרים באנרגיה גבוהה (ונקראים "אקסיטונים חמים"). האקסיטונים החמים נוצרים ע"י קליטה של פוטונים כחולים או כמעט אולטרא-סגולים. במוליכים למחצה בטמפרטורת החדר ומעלה, האלקטרונים הפוטו-וולטאיים הנוצרים והחורים אינם משולבים וקיימים נושאי מטען חופשיים (המכונים "נושאי מטען חמים").

האנרגיה העודפת של האקסיטונים החמים או נושאי המטען החמים יכולה ללכת לאיבוד במהירות באמצעות אינטראקציות פונון-אלקטרון והפיכת האנרגיה לחום, שמחושב כאובדן משמעותי של יעילות ההמרה. עם זאת, מציין נוזיק כי למרות המחלוקות, מחקרים שנעשו לאחרונה הראו כי שיעור המג יכול להיות הרבה יותר מהר מאשר שיעור הקירור של האקסיטון החם, המביא ליעילות גבוהה יותר של שכפול זוג אלקטרון-חור. אולם, למרות דיווחים ראשוניים של ניצולת של 200% בשיטת הנקודות הקוונטיות, אין מכשיר מבוסס נקודות קוונטיות שהוכיח עד כה המרה בפועל משופרת כתוצאה מהמג.

"ככלל, המטרה היא ליצור מערכות בעלי יעילות הקרובה לגבול התיאורטי", אמר נוזיק. "היעילות התיאורטית עומד על 45% לערך, בעוד יעילות נקודות הקוונטים הנוכחית בתאים סולריים היא כ 3-5% בתנאי מעבדה. זה פער גדול, אנחנו צריכים להבין מה מגביל את היעילות בגישות החדשות".

למרות המחלוקת על מג, נוזיק מסיק כי האפשרויות לתאים סולריים מבוססי נקודות קוונטיות ומבני ננו אחרים המשתמשים בכליאה קוונטית נראים מבטיחים, למרות עבודה רבה שנדרשת בנושא. נושא אחד אשר עשוי לסייע למג לממש את מלוא הפוטנציאל שלה הוא להבטיח שהאקסיטונים הנוספים יתחברו במהירות, כיוון שהם מתפרקים בתוך כ-2-10 פיקו-שניות לאחר היווצרותם (פיקו שנייה היא 0.000000000001 שניות). והכי חשוב, נוזיק מדגיש שהחוקרים צריכים לחתור להגעת יעילות מקסימלית תיאורטית של תאים סולריים.

"יש מידה מסוימת של מחלוקת על גישות הדור השלישי כיוון שהן חדשות ולא מובנות לגמרי" אמר נוזיק. "בעבר, חלק מהתוצאות לא היו יכולות להיות משוחזרות במעבדות שונות. אבל עכשיו יותר ויותר אנשים בשנים האחרונות משחזרים תוצאות חיוביות. מעבדות כמו לוס אלאמוס ו-NREL מודדות תופעות אלו במרכזי מחקר בארה"ב בטכניקות שונות, ומקבלות את אותה התשובה. אז זה אפקט אמיתי, בעל השפעה חיובית. עם זאת, כמה אנשים עדיין סקפטיים וחושבים שאנחנו לא מתכוונים להגיע לערכים האלה (של יעילות תיאורטית). אבל אין שום סיבה בסיסית למה אנחנו לא יכולים להגיע אל אותם ערכים. זה פשוט לוקח מחקר נוסף, מאמץ נוסף ויותר הבנה"

למאמר ב-physorg

להודעה לעיתונות של NERL

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

תגובה אחת

  1. "תאי סיליקון יקרים כיום (בערך פי 3 מעלות החשמל כיום)" – לא נכון, מחירם של תאים ירד לפני מספר חודשים לראשונה למחיר זול מפחם per וואט.

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.

לוגו אתר הידען
דילוג לתוכן