פלסטיקים הממירים אור לחשמל

המטרה הינה לפתח תאי-שמש המורכבים מחומרי-פלסטיק זולים שיוכלו להמיר לפחות עשרה אחוזים מקרני-השמש שהם סופגים לחשמל בר-שימוש ושניתן יהיה לייצרם בקלות

חוקרים בכל רחבי העולם חותרים לשם פיתוח תאי-שמש אורגניים שניתן לייצרם בקלות ובזול כשכבות דקיקות שיוכלו לשמש לשם יצירת חשמל.

אולם, אחד המכשולים לכך הינו התאמת חומרים מבוססי-פחמן אלו למבנים רצויים ברמה הננומטרית, מבנים שיהיו יעילים בהמרת אור לחשמל. המטרה הינה לפתח תאי-שמש המורכבים מחומרי-פלסטיק זולים שיוכלו להמיר לפחות עשרה אחוזים מקרני-השמש שהם סופגים לחשמל בר-שימוש ושניתן יהיה לייצרם בקלות.

צוות מחקר בראשותו של David Ginger, פרופסור לכימיה באוניברסיטת וושינגטון, גילה דרך לייצר אלמנטים זעירים ביותר של בועיות ותעלות בתוך תאי-שמש מפלסטיק – קטנים פי עשרת אלפים מקוטרה של שיערת אדם. בועיות ותעלות אלו נוצרות בתוככי הפולימר תוך כדי תהליך חישול החומר, שנועד לשפר את ביצועיו של התוצר המוגמר.

החוקרים מסוגלים למדוד ישירות מהו הזרם העובר בכל אחת מבועיות ותעלות אלו, ובכך הם יכולים לקבל הבנה מקיפה יותר בדבר המנגנון המדויק שבו תאי-שמש ממירים קרינה לחשמל. החוקר הראשי מאמין כי מחקר זה יוביל להבנה טובה יותר בדבר החומרים והתנאים שבהם הם מופקים, ואשר יהיו המועמדים הטובים ביותר להגיע ליעד עשרת אחוזי הניצולת.

בזמן שחוקרים מתקרבים לסף זה, תאי-שמש בעלי ננו-מבנים של פלסטיק יוכלו לשמש בקנה-מידה נרחב, מציין החוקר. בשלב הראשון, הם יוכלו להשתלב בתוך ארנקים או תיקים לשם הטענת טלפונים ניידים או נגני-מוסיקה, אך בסופו של דבר, הם יוכלו להרים תרומה משמעותית לאספקת אנרגיה חשמלית.

רוב החוקרים מכינים תאי-שמש מפלסטיק באמצעות הערבוב של שני חומרים יחדיו בשכבה דקיקה, ואז חישולם בחום לשם שיפור ביצועיהם. בתהליך, בועיות ותעלות נוצרות, בדומה לתהליך המתרחש באופן רגיל באפיית עוגה. תעלות ובועיות אלו משפיעות על יעילות ההמרה של אור לחשמל בתאים ועל ניצולת החשמל המועברת, בסופו של דבר, אל מחוץ לתא. ניתן לשנות את כמות הבועיות והתעלות ואת התצורה שלהן באמצעות שינוי כמות החום המסופקת בתהליך, ומשך החימום.

המבנה המדויק של הבועיות והתעלות הינו קריטי עבור ביצועיו של תא-השמש, אולם עדיין קשה להבין לאשורו את היחס המדויק שבין זמן ומידת החימום, גודל הבועיות, מוליכות התעלות ויעילות ההמרה המתקבלת. חלק מהמודלים המשמשים בהנחיית הפיתוח של תאי-שמש מפלסטיק אפילו מתעלמים מהיבט המבנה המדויק ומניחים כי ערבוב פשוט של שני החומרים לכדי שכבה יחידה שתשמש בתאי-שמש יוביל לחומר חלק ואחיד בסוף התהליך. הנחה זו מקשה על ההבנה מהי מידת היעילות המדויקת שניתן לקבל מפולימר נתון, מציין החוקר הראשי.

מחקרם זה, המדענים השתמשו בתערובת של שני החומרים פולי-תיופן ופולרן, חומרי-מודל הנחשבים בסיסיים למחקר בתאי-שמש אורגניים מאחר וניתן להקיש מהתגובה שלהם לכוחות כגון חימום לתגובות הצפויות בחומרים אחרים. החומרים חוממו יחדיו בטמפרטורות שונות ולתקופות זמן משתנות. ממצאי המחקר פורסמו ברשת בכתב-העת המדעי Nano Letters.

החוקר ציין כי סביר להניח שהפולימר ששימש בניסיונות אלו לא יוכל להגיע ליעד עשרת אחוזי הניצולת. אולם, התוצאות שיתקבלו ממחקר זה תשמשנה כקו-מנחה מועיל לקביעת שילובי-חומרים חדשים וזמני וטמפרטורות חימום שיאפשרו יחדיו את היצירה של בועיות ותעלות שיכללו בפולימר המוגמר שכן יגיע ליעד הנכסף.

בחינות אלו תוכלנה להתבצע ע"י כלי חשוב הקרוי מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM), המשתמש בחוד, הדומה למחט הקיימת בפטפונים, בכדי לקבל תמונות ננומטריות של פני שטח תא השמש. חוד המיקרוסקופ מגיע למרחק של עד כדי 20 ננומטרים מפני שטח השכבה. החוד מצופה בפלטינה או בזהב בכדי שיוליך זרם חשמלי והוא מוזז הלוך ושוב מעל פני שטח תא-השמש בכדי לבחון את תכונותיו. במהלך סריקתו זו של המיקרוסקופ הוא מודד את צורתן המדויקת של הבועיות והתעלות שנוצרו בתהליך.

שימוש במיקרוסקופ יחד עם המידע שנאסף במחקר זה, יוכל לסייע למדענים לקבוע במהירות באם הפולימרים שהם הכינו קרובים או לא ליעד הנכסף של עשרת אחוזי הניצולת. שיפור יעילותם של תאי-שמש הינה הכרחית בכדי להפוך את ייצורם לזול יותר, מסביר החוקר; ואם תאים אלו אכן יהיו זולים דיים, הם יוכלו לקזז את הצורך שלנו בחשמל מבוסס-פחם בשנים הבאות. "הפתרון לבעיית האנרגיה בעולם יהיה שילוב של מספר סוגי אנרגיה, אולם בטווח הארוך אנרגיית שמש אמורה להיות החלק הגדול ביותר בשילוב זה," מציין החוקר.

הידיעה מאוניברסיטת וושינגטון