שיפור היעילות של לוחות סולאריים זולים

סידור חדש של חומרים כימיים מוכרים יוכל לשפר את היעילות של לוחות סולאריים זולים, זאת תודות להגברה משמעותית ביכולתם של חומרים אלו לקלוט את אנרגיית השמש ולשחרר אותה בתור חשמל.

[תרגום מאת ד”ר נחמני משה]

סידור חדש של חומרים כימיים מוכרים יוכל לשפר את היעילות של לוחות סולאריים זולים, זאת תודות להגברה משמעותית ביכולתם של חומרים אלו לקלוט את אנרגיית השמש ולשחרר אותה בתור חשמל.

צוות מדענים מאוניברסיטת קליפורניה בלוס אנג’לס, גילה כי באמצעות סידור הרכיבים של הלוחות הסולאריים באופן דומה יותר לסידור הקיים במערכות טבעיות המנצלות את אור השמש, ניתן להפריד בין המטענים החיוביים לבין השליליים באופן יציב למשך זמן רב של עד מספר שבועות, זאת בהשוואה למשך זמן של מיליונית השנייה – השיעור הקיים היום ברבים מהלוחות הסולאריים המודרניים.

“בתהליך הפוטוסינתזה, צמחים החשופים לאור השמש מנצלים ננו-מבנים מסודרים במיוחד הנמצאים בתוך התאים שלהם על מנת להפריד במהירות מטענים – תוך משיכת האלקטרונים החוצה מהמולקולה לקבלת מטען חיובי ושמירת ההפרדה ביניהם לאורך זמן,” אמרה Sarah Tolbert, פרופסור לכימיה באוניברסיטת UCLA ואחת מהחוקרים הראשיים. “הפרדה זו היא המפתח להפיכת תהליך זה ליעיל”. מחקרי קריסטלוגרפיה בקרני רנטגן שביצעו החוקרים אפשרו להם לראות, ברמה המיקרוסקופית, מהו הסידור המיטבי של ננו-המבנים המעודד את הפרדת המטענים לאורך זמן. ממצאי המחקר פורסמו לאחרונה בכתב-העת המדעי היוקרתי Science.

בשביל ללכוד אנרגיה מתוך קרני השמש, תאים סולאריים רגילים הממוקמים על גגות הבניינים מבוססים על החומר סיליקון, שהוא חומר יקר. ניתן ליצר תאים סולאריים רגילים גם מחומרים זולים יותר, כגון פלסטיק, אולם אלו פחות יעילים – במידה רבה בשל העובדה כי המטענים המופרדים שבחומר די מהר מתמזגים מחדש לפני שהם מומרים לאנרגיה חשמלית. “תאים סולאריים מודרניים מפלסטיק לא כוללים בתוכם מבנים מאורגנים ביותר, כמו אלו הנמצאים בצמחים, מכיוון שעד היום לא ידענו כיצד לבנות אותם”, אמרה החוקרת הראשית. “אולם, המערכת החדשה שלנו מפרידה בין המטענים המנוגדים ומשאירה אותם במצב זה למשך מספר ימים, ואפילו למשך שבועות אחדים. ברגע שפיתחת את המבנה המתאים, אתה יכול לשפר באופן ניכר את שימור האנרגיה”.

החוקרים פיתחו מערכת המורכבת מסלילים של פולימר, שהם אבני הבניין של הפלסטיק, הבולעים את קרני השמש ומעבירים אלקטרונים לפולרן (ויקיפדיה), מולקולת פחמן כדורית הידועה גם בשם “כדור באקי”. החומרים המרכיבים את סוגי התאים הסולאריים הללו מאורגנים בדרך כלל בצורה הדומה לזו של מנת פסטה מבושלת – מסה בלתי מסודרת של סלילי פולימר דקיקים וארוכים (“ספגטי”) יחד עם מולקולות פולרן כדוריות המאורגנות בצורה אקראית (“כדורי בשר”) מעליהם. אולם, סידור כזה הוא בעיתי מבחינת קבלת זרם מתוך התא מאחר והאלקטרונים, לעיתים, מדלגים חזרה לפולימרים וגורמים לאובדן הזרם החשמלי.

החוקרים הצליחו לארגן את רכיבי המערכת בצורה מסודרת יותר – חבילות קטנות של ספגטי שלידם נמצאים כדורי בשר במיקומים מדויקים. המערכת תוכננה כך שחלק מהפולרנים משולבים בתוך חבילות הפולימרים ואחרים נאלצים להישאר מחוץ להם. הפולרנים הנמצאים בתוך המבנה שולפים אלקטרונים מהפולימרים ומעבירים אותם לפולרנים החיצוניים, מה שמאפשר שימור יעיל של האלקטרונים מופרדים מהפולימר למשך שבועות. ניסויים רבים הוכיחו כי הסידור הזה הוא היעיל ביותר. “כאשר המטענים לעולם לא מתמזגים חזרה, נעשה קל יותר להוציא אותם מחוץ לתא הסולארי בצורת חשמל”, אומר אחד מהחוקרים. “זוהי הפעם הראשונה שהודגמו משכי זמן כה ארוכים של הפרדת מטענים תוך שימוש בסוגי חומרים כאלו”.

החוקרים מצאו כי החומרים מתארגנים בכוחות עצמם לכדי סידור זה כאשר מקרבים אותם אחד לשני. הסידור החדש הוא גם ידידותי יותר לסביבה בהשוואה לטכנולוגיות קיימות, זאת לאור העובדה כי החומרים מתארגנים בתוך מים, במקום בתוך תמיסות אורגניות רעילות המשמשות היום באופן רווח. “מרגע שהכנת את החומרים, אתה יכול פשוט להשליך אותם לתוך מים והם כבר יתארגנו בעצמם לקבלת המבנה המתאים בזכות העיצוב שלהם,” אמר אחד מהחוקרים.

תקציר המאמר

הידיעה על המחקר