סיקור מקיף

ננו-חוטי סיליקון מיעלים יכולת הקליטה של תאים סולאריים

חוקרים מהמעבדה הלאומית לורנס ברקלי בקליפורניה פיתחו גישה חדשנית שתוכל להפחית באופן משמעותי עלויות גבוהות של שימוש בתאים פוטו-וולטאיים

תא שמש מחווט בחוטים ננומטריים. צילום: אוניברסיטת ברקלי
תא שמש מחווט בחוטים ננומטריים. צילום: אוניברסיטת ברקלי

תאים סולאריים המורכבים מסיליקון אמורים להיות גורם חשוב בתחום של אנרגיה ירוקה מתחדשת, אולם עד כה ההבטחה הטמונה בהם לא הפכה למציאות. למרות שקיימים היום תאים פוטו-וולטאיים מבוססי-סיליקון המסוגלים להמיר קרינת שמש לחשמל ביעילות מרשימה של עשרים אחוזים, מחירה הגבוה של אנרגית-שמש זו מונע את שימושה בקנה-מידה נרחב. אולם, חוקרים מהמעבדה הלאומית לורנס ברקלי בקליפורניה פיתחו גישה חדשנית שתוכל להפחית באופן משמעותי עלויות גבוהות אלו. המפתח להצלחת מחקרם טמון בדרך טובה יותר לקליטת אור-השמש.

"באמצעות ייצור שכבות דקיקות של מערכים סדורים של ננו-חוטי סיליקון אנכיים, הצלחנו להגביר את שיעור קליטת-האור בתאים הסולאריים שלנו בפקטור של 73," אומר הכימאי Peidong Yang, אשר הוביל את המחקר. "היות ושיטת הייצור מאחורי שיפור בלתי-רגיל זה של לכידת-אור הינה פשוטה יחסית ומורכבת מתהליך כימי בסביבה מימית שהינו בר-התאמה לקנה-מידה גדול יותר, אנו מאמינים שהגישה שלנו מהווה מסלול בר-קיימא כלכלי לפיתוח תאים סולאריים דקיקי-שכבות זולים בעלי יעילות גבוהה."

"תאים סולאריים רגילים מורכבים משכבות של חד-גבישי סיליקון נקיים ביותר ויקרים מאוד המחייבים עובי של מאה מיקרומטרים בכדי לקלוט את מרבית אור-השמש, בעוד שהמבנה הרדיאלי (radial) שלנו מאפשר לכידה יעילה בעזרת מערכים של ננו-חוטי סיליקון שעוביים הוא רק שמונה מיקרומטרים בלבד," מסביר החוקר הראשי. "יתרה מכך, הגישה שלנו תוכל לאפשר, בעיקרון, שימוש בסיליקון ברמת ניקיון הרבה יותר נמוכה מאשר כיום, עובדה שתפחית עוד יותר את עלויות הייצור." ממצאי המחקר פורסמו בכתב-העת המדעי NANO Letters.

בבסיסם של כל התאים הסולאריים הקיימים היום מצויות שתי שכבות של חומר, האחת עשירה באלקטרונים המתפקדת כקוטב שלילי והשנייה עשירה ב"חורי-אלקטרונים" (נישות אנרגיה טעונות חיובית) המתפקדת כקוטב חיובי. כאשר נקלטים פוטונים שמקורם באור השמש, האנרגיה שלהם מנוצלת ליצירת זוגות אלקטרון-חור נוספים, ואז היפרדותם בממשק שבין שתי השכבות מומרת לחשמל שניתן לאגירה.

בשל תכונותיו הפוטו-אלקטרוניות המשובחות, סיליקון נותר כמוליך-למחצה הפוטו-וולטאי המועדף, אולם בשל הדרישה הגוברת עבורו מחירו של חומר-הגלם זה מתייקר עוד ועוד. בנוסף לכך, בשל הדרישה לשימוש בסיליקון ברמת ניקיון גבוהה ביותר, ההפקה, אפילו של תא-סולארי מבוסס-סיליקון הפשוט ביותר, הינה מורכבת, עתירת-אנרגיה וייקרה.

ממצאי מחקר זה עשויים להוביל לצמצום הן במגבלות הכמות והן במגבלות האיכות של הסיליקון, בזכות השימוש במערכים אנכיים של ננו-צמתי p-n רדיאליים, במקום בצמתים מישוריים רגילים. בצמתים מהסוג החדש, שכבת סיליקון מסוג n יוצרת מעטפת מסביב לליבת ננו-תיל סיליקון מסוג p. כתוצאה מכך, אלקטרונים וחורים מעוררים-פוטונית נעים מרחק קצר יותר עד לאלקטרודות, וע"י כך הם מסירים את צוואר הבקבוק של נושאי-מטען, שתכופות מופיע בתאים סולאריים מבוססי-סיליקון רגילים. בנוסף, המערך הרדיאלי משפר גם את מידת לכידת האור. "מאחר וכל ננו-חוט נפרד במערך הוא בעל צומת p-n, כל אחד מהם משמש למעשה כתא סולארי יחיד," מסביר החוקר. "ע"י כוונון אורכם של ננו-חוטים אלו במערכים שלנו, אנו מסוגלים להגביר את כמות השטח לוכד האור שלהם."

למרות שיעילות ההמרה של תאים מבוססי-ננו-חוטים אלו הייתה רק חמישה אחוזים, החוקרים טוענים כי יעילות זו הושגה ללא השימוש בשיטות ייצור מתוחכמות יותר שניתן להוסיפן לשם הגברת היעילות בהמשך. "ע"י הכנסת שיפורים נוספים, החשוב שבהם תהליך של פסיבציה (תהליך כימי שגורם לחומר להיות "פסיבי" ביחס לחומר אחר לפני שמשתמשים בחומרים יחד) אנו מאמינים כי ניתן להשיג יעילות של כעשרה אחוזים," מוסיף החוקר הראשי.

השילוב של יעילות המרה של עשרה אחוזים, או יותר, יחד עם כמויות קטנות יותר של חומר-גלם סיליקוני והאפשרות להשתמש בסיליקון ברמת ניקיון נמוכה, יוכל להפוך את השימוש בננו-חוטי סיליקון כמועמד מפתה לייצור בקנה-מידה גדול. בנוסף, המבנים החדשים יוכלו לשמש כמות שהם בתהליכי-ייצור קיימים של לוחות סולאריים.

הידיעה ממכון המחקר

2 תגובות

  1. הסיליקון יקר כי אינו נפוץ? אני מבין שמעולם לא הלכת בשדה או בחוף הים. הסיליקון לא יקר, מה שיקר זה(ואפשר להבין את זה מהמאמר):
    1. כמות הסיליקון הנדרשת עבור תא סולארי – מכיוון שכמות הסיליקון מאוד גדולה התא יקר.
    2. התהליכים של יצירת סיליקון בדרגת ניקיון גבוה.

    אבל עדיין המחיר של הסיליקון הוא לא תחרותי, לפחות בכל מדינה שאינה איטליה..

  2. זו סובלימציה זמנית. הסיליקון יקר כי אינו נפוץ והוא לא יהפוף זול יותר משום שהומצאה טכנולוגיה המשתמשת בפחות סיליקון. הקץ למציאת פתרון יעיל וזול יותר רק ידחה, אך לא יעלם

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.

דילוג לתוכן