הדור הבא

המטרה: פיתוח תאים סולריים יעילים במיוחד, חסכוניים וקלים לייצור

19 באוגוסט 2014

פרופ' דוד כאהן ופרופ' גרי הודס, מהמחלקה לחומרים ופני שטח בפקולטה לכימיה של מכון ויצמן למדע, מקווים שחומרים חדשים שפותחו באחרונה ישיגו את המטרה של פיתוח תאים סולריים יעילים במיוחד, חסכוניים וקלים לייצור, שיהיה אפשר להציבם על גגות שונים. "בקרוב נגיע למצב שעלות התאים האלה תהיה כה נמוכה, עד שמחירם הסופי ייקבע על פי העלויות החיצוניות הכרוכות בייצורם ובהתקנתם", אומר פרופ' כאהן.

החומרים המלאכותיים החדשים האלה, הקרויים פֶּרוֹבסקיטים (Perovskites), מתאפיינים במבנה זהה לזה של המינרל הטבעי המחומצן פרובסקיט. מדובר בתרכובות בעלות מבנה גבישי אופייני, אשר מבוססות על מתכות זולות כמו בדיל או עופרת. על פי פרופ' גרי הודס "תאים פרובסקיטיים הם הסוג הזול הראשון של תאים סולריים שמנצלים אנרגיות גבוהות של ספקטרום השמש (אור כחול־ירוק), ומספקים חשמל במתח גבוה. קל מאוד לייצר את התאים האלה – למעשה, אפשר לייצר אותם על פלטת חימום, כמו זו המשמשת במטבח".

90 אחוז מהתאים הסולריים מיוצרים כיום מצורן (סיליקון), שהוא חומר זול, מצוי בשפע ומסוגל להוליך חשמל – בעיקר כאשר אור השמש (פוטונים) פוגע בו. פגיעת הפוטונים בפני השטח של הסיליקון משחררת אלקטרונים מההקשרים הכימיים שבהם השתתפו – ומאפשרת להם לזרום. כדי להשלים את התהליך מוסיפים לסיליקון ולתא הסולרי חומרים אחרים, שמטרתם לסייע בהפרדת המטען: כאשר פוטון בעל אנרגיה מספקת פוגע בפני השטח, הוא מנתק אלקטרון מהקשר שבין אטומי הסיליקון, מעלה אותו לרמת אנרגיה גבוהה יותר, תוך יצירת מעין "מחסור באלקטרון", או "חור", במקום שבו היה האלקטרון קודם לכן. ה"חור" מתַפקד למעשה כהיפוכו של האלקטרון, והוא בעל מטען חשמלי חיובי. לאחר פגיעת הפוטון נוצר מעין "צמד" של אלקטרון ו"חור". השדה החשמלי מפריד בין האלקטרונים ל"חורים", בזמן שהוא שולח את האלקטרונים לצד אחד של התא הסולרי ואת החורים לצדו השני.

אבל אפילו רכיב הסיליקון העתידי הטוב ביותר מסוגל לנצל – לכל היותר – קצת יותר מרבע מאנרגיית השמש שנופלת על פני השטח שלו. לפוטונים בעלי אורכי גל המצויים בקצה התחתון של הספקטרום האלקטרומגנטי (אינפרה־אדום) אין די אנרגיה כדי לשחרר את האלקטרונים של הסיליקון, ואילו הפוטונים בעלי אורכי הגל הקצרים, המצויים בקצה הגבוה של הספקטרום, הם כה אנרגטיים, עד שמרבית האנרגיה שלהם מתבזבזת. מדענים המנסים לשפר את יעילותם של תאים סולריים חוקרים חומרים שיוכלו לנצל טוב יותר פוטונים בעלי אנרגיות גבוהות, וכך יוכלו לספק כמות גדולה יותר של חשמל משֶטַח פנים זהה. במשך השנים תרמו קבוצות מחקר רבות ברחבי העולם, בהן קבוצותיהם של פרופ' כאהן ופרופ' הודס, לשיפור יעילותם של התאים. עם זאת, הקצב האטי והמורכבות של השיפורים תסכלו את המדענים לעתים קרובות.

החומרים הפרובסקיטיים נכנסו לזירה בשנת 2009, כאשר קבוצה מיוקוהמה, יפן, השתמשה בהם ליצירת סוג מיוחד של תאים סולריים. היעילות שהשיגו הייתה ניכרת, אך יציבותם של התאים הייתה גרועה מאוד. בזמן קצר הראו קבוצות מחקר מקוריאה, מאוקספורד, אנגליה (קבוצתו של פרופ' הנרי סניית'), וקבוצתו של פרופ' מיכאל גרצל משווייץ, כיצד אפשר להשיג תאים בעלי יעילות ויציבות טובות יותר, המספקים מתח גבוה יחסית. בזמן קצר יצרו קבוצות אלה ואחרות תאים סולריים ניסיוניים מחומרים פרובסקיטיים, שמתחרים ביעילותם בחלופות הסיליקון, ומייצרים מתח חשמלי גבוה יותר.

מדענים המנסים לשפר את יעילותם של תאים סולריים חוקרים חומרים שיוכלו לנצל טוב יותר פוטונים בעלי אנרגיות גבוהותצילום: שאטרסטוק
מדענים המנסים לשפר את יעילותם של תאים סולריים חוקרים חומרים שיוכלו לנצל טוב יותר פוטונים בעלי אנרגיות גבוהות
צילום: שאטרסטוק

פרופ' כאהן ופרופ' הודס הבינו כי חומרים אלה עשויים לענות על הצורך בתאים סולריים זולים ויעילים, המניבים מתח גבוה, תוך שימוש בחלק גדול של הספקטרום. בכמה מאמרים שפרסמו באחרונה עם ד"ר סער קירמאייר ותלמיד המחקר ערן אדרי (בכתב העת Nature Communications), עם עמיתים באוניברסיטת תל אביב (בכתב העת Nano Letters), ועם עמיתים מאוניברסיטת פרינסטון (בכתב העת Energy & Environmental Science), הם הצליחו להסביר את המנגנונים שבאמצעותם ממירים חומרים פרובסקיטיים את אור השמש לחשמל ביעילות גדולה ובמתח גבוה, וכן להציג כמה שיטות לשיפור תאים סולריים העשויים מחומרים אלה. בשני מחקרים שהתפרסמו בכתב העת The Journal of Physical Chemistry Letters, שבהם השתתף גם תלמיד המחקר מיכאל קולבאק, נבדקו שכבות פרובסקיט ובהן חומרים שונים המשמשים כ"מוליכי חור", במטרה לשפר את הפרדת המטענים. תאים אלה יִצרו מתח גבוה שהגיע עד 1.5 וולט (תאי סיליקון מייצרים עד כ־0.7 וולט). המדענים סבורים כי תוצאות אלה יובילו לשיפורים נוספים.

מהו הסוד של חומרים אלה? פרופ' כאהן ופרופ' הודס אומרים שמחקריהם ומחקרים של מדענים אחרים מַפנים את הזרקור למבנה הגבישי של החומרים. הפרובסקיטים ה"סולריים" יוצרים מבנים באיכות גבוהה, כלומר, כמעט בלי פגמים ואי סדרים. ההתנהגות והיעילות של תאים פרובסקיטיים תואמת את המודל שהציעו פרופ' כאהן ועמיתיו לפני כמה שנים, שלפיו סדר גבוה הוא דרישה קריטית לתא סולרי יעיל. יתר על כן, חומרים פרובסקיטיים מכילים רכיבים אי אורגניים (עופרת ויודיד או ברומיד) ורכיבים אורגניים (העשויים בעיקר מפחמן ומימן) כאחד. אופן ההשתלבות של מרכיבים אלה יחדיו הוא שגורם לחומרים אלה להיות כה שימושיים בתאים סולריים: הם יוצרים מבנים גבישיים, בדומה לסיליקון, אבל יחסי הגומלין החלשים בין החלקים האורגניים יוצרים משטחים המאפשרים לאלקטרונים לעבור בקלות מאטום לאטום.

נכון לעכשיו, התאים הטובים ביותר מחומרים פרובסקיטיים השיגו יעילות של 18 אחוז, וסביר להניח כי הם יכולים להגיע ליעילות של יותר מ־20 אחוז (תא הסיליקון הטוב ביותר שיוצר עד כה הגיע ליעילות של 25 אחוז). "ישנם עדיין כמה מכשולים שעלינו להתגבר עליהם", אומרים פרופ' כאהן ופרופ' הודס. "ראשית, יש להוכיח כי חומרים אלה יציבים לאורך זמן. שנית, התרכובות מכילות כמות קטנה של עופרת, ויש למצוא לה תחליף או להבטיח כי החומר הרעיל לא יוסיף לזיהום הסביבה". אך מכשולים אלה אינם מפחיתים את התלהבותם מהמשך המחקר. החומרים הפרובסקיטיים הציתו אצל שני המדענים תקווה כי אנרגיה סולרית תשתלב בסופו של דבר כחלופה מוצלחת לדלקים מאובנים.