אילוצים מבניים מפחיתים את יעילות התאים הסולאריים

צוות חוקרים מאוניברסיטת המדינה של צפון קרוליינה ומבריטניה גילה כי קצב המרת האנרגיה הנמוך בטכנולוגיית תאים סולאריים המורכבים מפולימרים בלבד מקורו במבנה של התאים הסולאריים עצמו

צוות חוקרים מאוניברסיטת המדינה של צפון קרוליינה ומבריטניה גילה כי קצב המרת האנרגיה הנמוך בטכנולוגיית תאים סולאריים המורכבים מפולימרים בלבד מקורו במבנה של התאים הסולאריים עצמו. החוקרים מקווים כי הממצאים שלהם יובילו לפיתוח תאים סולאריים יעילים יותר.

תאים סולאריים מבוססי-פולימרים מורכבים משכבות דקיקות של מבנים המשתלבים זה בזה ואשר מקורם בשני חומרי-פלסטיק מוליכים שונים, והם נפוצים מאוד בזכות היותם זולים ובזכות היכולת להטביעם על-גבי מגוון משטחים. אולם, תאים סולאריים שכאלו עדיין אינם כדאיים מסחרית מאחר ושיעור המרת האנרגיה שלהם עומד על שלושה אחוזים בלבד – בהשוואה ל- 20-15% בטכנולוגיות סולאריות קיימות אחרות.

“תאים סולאריים צריכים להיות הן דקיקים מספיק בכדי לקלוט פוטונים מאור השמש, והן בעלי מבנים קטנים מספיק שיאפשרו לאנרגיה הלכודה בהם לנוע לעבר אתר הפרדת המטענים ולהפוך לחשמל שמיש, “אמר ד”ר Harald Ade, פרופסור לפיסיקה ואחד מכותבי המאמר המתאר את המחקר, שפורסם בכתב-העת המדעי Advanced Functional Materials and Nano Letters.

“התאים הסולאריים לוכדים את הפוטונים, אך הגורמים הנושאים את האנרגיה הזו (אקסיטונים) צריכים לנוע דרך ארוכה, הממשק שבין שתי שכבות הפלסטיק השונות עבה מדי עבור הפרדת מטען יעילה והאנרגיה שלהם פשוט מתבזבזת בדרך.”

בכדי שהתא הסולארי יפעל ביעילות הגבוהה ביותר האפשרית, אומר החוקר, השכבה הקולטת את הפוטונים צריכה להיות בעובי של 150-200 ננומטרים בלבד. בנוסף, נושא האנרגיה, האקסיטון, צריך לעבור מרחק של עד עשרה ננומטרים בלבד לפני היפרדות המטען. הצורה שבה מאורגנים כיום תאים פולימריים מונעת את התממשותו של תהליך זה.

מסביר החוקר: “במערכת שבדקנו, המרחק המזערי שעל נושא האנרגיה היה צריך לעבור היה 80 ננומטרים, שהוא גודל המבנים המצויים בתוככי השכבה הדקיקה. בנוסף, בדרך שבה מייצרים כיום את המערכות הללו, הממשק שבין המבנים אינו מוגדר באופן חד דיו, מה שמוביל לכך שהאקסיטונים, או המטענים, נלכדים בדרך. על-כן, יש צורך לפתח שיטות ייצור חדשות שבעזרתן יתקבלו מבנים קטנים יותר וממשקים חדים יותר.”
צוות המחקר מתכנן לבחון סוגים שונים של תאים סולאריים מבוססי-פולימרים בכדי לבדוק אם היעילות הנמוכה שלהם מקורה באותה הבעיה המבנית. הם מקווים כי המידע שלהם יוביל כימאים ויצרנים לבחון דרכים שונות לתכנון יעיל יותר של תאים סולאריים.

“כעת, כשאנו יודעים מדוע הטכנולוגיה הנוכחית אינה פועלת כפי שהייתה יכולה, השלבים הבאים שלנו יהיו בדיקת התהליכים הפיסיקליים והכימיים שיוכלו לתקן את הבעיות הללו. מרגע שנקבל יעילות מוגברת, נוכל להכווין מחדש את מאמצי המחקר והייצור.”

הידיעה על המחקר