תַקצִיר
תאים סולריים מסייעים לנו להשתמש בפחות פחם או נפט בתהליך ייצור חשמל, וכפועל יוצא להפחית את הפגיעה בסביבה. מרבית הפאנלים הסולריים הם יקרים ולא ניתן להשתמש בהם כחלונות מאחר שאינם שקופים, ולכן מסתירים את הנוף. אולם, אפשר לייצר חלונות סולריים באמצעות כימיקלים מיוחדים שנקראים צִבְעָנִים אורגניים. חלונות אלה יכולים לקלוט אור שמש ולהשתמש באנרגיה שלו לייצור חשמל, אך עדיין ניתן לראות דרכם את הנוף. החלונות שייצרנו במחקרנו אינם יקרים, ושומרים על צבעי הנוף ללא שינוי. כל חלון חסר-צבע מייצר 100 ואט של חשמל – מספיק כדי לטעון 20 טלפונים ניידים במקביל. מאחר שבאפשרותנו להשתמש בחלונות הסולריים הזולים וחסרי-הצבע האלה בכל מקום, ביכולתנו לייצר הרבה אנרגיה נקייה!
שימוש באור שמש כמקור לאנרגיה נקייה
בכדור הארץ חיים אנשים רבּים. הם משתמשים בטלפונים ניידים, טלוויזיות, מחשבים ומגוון מכשירים נוספים שצורכים חשמל לצורך הפעלתם. הדרך השכיחה ביותר לייצר חשמל היא לשרוף פחם, גז, או נפט. בעת שריפתם, חומרים אלה משחררים גזים כמו פחמן דו-חמצני ומֵתָאן, אשר מחממים את כדור הארץ ויוצרים בעיות סביבתיות אחרות. בשל כך, מדינות רבות מעוניינות לייצר חשמל ממקורות אנרגיה נקייה, כמו אור שמש [1]. כדי לעשות זאת, אנו זקוקים לפאנלים סולריים, המורכבים בדרך כלל מהחומר סיליקון, שיכול לקלוט את אור השמש. סיליקון הוא יקר, ולכן קשה להתקין כמות רבה של פאנלים סולריים במדינות עניות. נוסף על כך סיליקון לא מאפשר לאור לעבור דרכו, ולכן פאנלים סולריים מחומר זה אינם יכולים לשמש כחלונות, מאחר שהם יסתירו את הנופים הטבעיים (איור 1A).
- איור 1 - צפייה בהר פיג'י דרך תאים סולריים מסיליקון לעומת חלונות סולריים.
- הר פיג'י הוא ההר הגבוה ביותר והיפה ביותר ביפן. (A) תאים סולריים מסיליקון יכולים להסתיר את הר פיג'י מאחר שהם פועלים כמו מראות. אם הפאנלים האלה ישמשו כחלונות, לא נהיה מסוגלים לראות דרכם. (B) כשאנו מסתכלים על הר פיג'י דרך חלון סולרי שמורכב מהצבען האורגני בֵּטָא-קָרוֹטֶן (β-carotene), הנוף דרך החלון נראה כתום [2], אך עם הצבענים האדומים שאנו משתמשים בהם כאן, הנוף נראה אדום [3].
למרבה המזל, ישנם הרבה חומרים צבע כימיים– צִבְעָנִים, שיכולים לקלוט אור שמש. כשצבענים אלה כוללים אטומי פחמן, אנו מכנים אותם צבענים אורגניים. צבענים מסוג זה ניתן למצוא בטבע, לדוגמה, כלורופיל הוא צבען שמעניק לצמחים את הצבע הירוק שלהם, ובטא-קרוטן הוא הצבען שגורם לגזרים להיראות כתומים. אנו השתמשנו בצבענים מלאכותיים אורגניים כדי ליצור חלונות סולריים חסרי-צבע – המבנה של החלון הסולרי שפיתחנו מוצג (איור 2).
- איור 2 - אופן הפעולה של חלונות סולריים.
- חלונות סולריים שקופים מכילים שכבה פעילה הממוקמת בין שתי אלקטרודות. כאשר אור השמש פוגע בחלון, הצבענים בשכבה הפעילה תופסים פוֹטוֹנים ומשתמשים באנרגיה שלהם ליצירת אלקטרונים שיכולים לנוע בקלות ממקום אחד לאחר. האלקטרודות מראות לאלקטרונים באיזה כיוון הם אמורים לנוע, וזרימת האלקטרונים מייצרת חשמל.
ראשית, יצרנו יריעות דקות מאוד של צבען אורגני – דקות פי אלף מנייר [3 ,2], שאותן אנו מכנים שכבות פעילות (אקטיביות). כדי להמיר אור שמש לחשמל, אנו צריכים לערבב לפחות שני צבענים לשכבה האקטיבית. בהמשך התהליך אנו מכינים מעין כריך משכבה אקטיבית אחת המונחת בין שתי יריעות אחרות, שנקראות אלקטרודות, אשר לוכדות אלקטרונים או משחררות אותם, מתוך השכבה האקטיבית או לתוכה. אלקטרונים הם חלקיקים קטנים אשר יוצרים חשמל כשהם זורמים מאלקטרודה אחת לאחרת. אם שתי האלקטרודות הן גם שקופות, ניתן לראות דרך החלונות הסולריים (איור 1B). חלונות אלה מייצרים חשמל מפחות ממחצית אור השמש שפוגע בהם, שעה שהם מאפשרים לשאר האור לעבור דרכם, כך שעדיין ניתן לראות את הנוף דרך החלונות הסולריים.
הרעיון של חלונות סולריים נשמע כמו פריצת דרך מלהיבה, אך ישנן שתי בעיות גדולות שהוא מעלה. ראשית, בסופו של דבר חלונות אלה מפסיקים לפעול מאחר שחמצן באוויר מפרק את הצבענים האורגניים. שנית, אם הצבענים האורגניים לא תופסים את כל הצבעים של האור באופן זהה, הנוף דרך החלון ייראה כתום או אדום. במחקר שלנו ביקשנו לבדוק אם ניתן לייצר חלונות סולריים שיחזיקו מעמד לאורך זמן רב, ושאינם משנים את צבע הנוף הטבעי.
כיצד חלונות סולריים פועלים?
כדי לייצר חשמל, חלקיקים קטנים, שנקראים אלקטרונים, צריכים לנוע ממקום אחד לאחר. זרימת האלקטרונים הזו נקראת זרם חשמלי. לאלקטרונים יש מטען שלילי, ולכן הם בדרך כלל צמודים חזק לאטומים, בעוד שלחלקיקים אחרים בתוך האטומים, שנקראים פְּרוֹטוֹנִים, יש מטען חיובי. באטום מתקיימים כוחות משיכה ודחייה חשמליים – חלקיקים בעלי אותו מטען דוחים זה את זה, בעוד שחלקיקים בעלי מטען הפוך מושכים זה את זה. כדי ליצור זרימת חשמל, ראשית אלקטרונים צריכים להשתחרר מהאטומים שהם שייכים אליהם. פעולה זו דורשת קֶלֶט של אנרגיה. בחלונות הסולריים שלנו, אלקטרונים משוחררים מהאטומים של צבען אחד, שנקרא לו צבען A, על ידי אנרגיה מאור השמש. לאחר השחרור, הם ''נגנבים'' על ידי אטומים של צבען אחר, שנקרא לו צבען B. האלקטרון ש''נגנב'' על ידי צבען B יכול לנוע בחופשיות ממקום אחד לאחר כיוון שלצבען B כבר יש אלקטרונים שנמשכים בחוזקה לפרוטונים בתוך האטום שלו. האלקטרונים החופשיים יכולים כעת לזרום מאלקטרודה אחת לאלקטרודה אחרת, מה שיוצר חשמל. זהו הבסיס ליצירת חשמל באמצעות חלונות סולריים אורגניים, אך ישנם כמה פרטים חשובים נוספים שעליכם לדעת.
כמו כל אור, גם אור השמש מורכב מחלקיקים קטנים שנקראים פוֹטוֹנים. פוטונים בעלי אנרגיות שונות נדמים לעינינו כבעלי צבעים שונים. לדוגמה, לפוטונים של אור אדום יש פחות אנרגיה מאשר לפוטונים של אור כחול או ירוק. לצורך יצירת זרם חשמלי, האנרגיה של הפוטונים שפוגעים באטומים של הצבען צריכה להיות חזקה מספיק כדי להפריד אלקטרונים מאטומי הצבען. אם לפוטונים אין די אנרגיה לשם כך, הם יעברו דרך החלון בלי לסייע בהפקת זרם חשמלי.
כפי שציינו קודם לכן, השכבה הפעילה של החלונות הסולריים שלנו ממוקמת בין שתי שכבות נוספות של אלקטרודות, אשר חשיבותן בכך שהן קובעות לאלקטרונים באיזה כיוון עליהם לזרום. האלקטרודות הן גם נקודות החיבור שאליהם תחבּרו את הציוד החשמלי שאתם מבקשים להפעיל באמצעות אור השמש. לדוגמה, אם ברצונכם לטעון את סוללת הטלפון הנייד שלכם, תחבּרו את אלקטרודות הסוללה לאלקטרודות של החלון הסולרי.
כיצד ניתן לייצר חלונות סולריים חסרי-צבע?
האם ידעתם שאור השמש מורכב מצבעים שונים רבים? אלה הצבעים שמופיעים בקשת בענן. שלושת הצבעים העיקריים הם כחול, ירוק ואדום (לעיתים מתוארים הצבעים כחול, צהוב ואדום, אך במדע אנו משתמשים בירוק). זכרו שהצבעים משקפים את רמת האנרגיה של הפוטונים. לחלק מהפוטונים של אור השמש אשר פוגעים בחלון הסולרי תהיה מספיק אנרגיה כדי לשחרר את האלקטרונים מאטומי הצבען, מה שיגרום ליצירת זרם חשמלי, אך לחלק מהפוטונים לא תהיה מספיק אנרגיה. במצב זה, כדי לשחרר אלקטרונים מהאטומים, הפוטונים יעברו ישר דרך החלון – פוטונים אלה מכונים אור מועבר, והם ירכיבו את האור שמאפשר לכם לראות דרך החלון! ניתן לחשב את אחוז האור המועבר (T%) כך:
יצרנו חלונות סולריים באמצעות שני צבענים אורגניים, ואז הארנו אור אדום, כחול, או ירוק על החלונות במטרה לקבוע את T% עבור כל צבע של האור. כשבחנו חלונות סולריים שיוצרו משני הצבענים האדומים בלבד, מצאנו ש-T% היה גבוה ב-20% עבור אור אדום מאשר עבור אור כחול וירוק. הסיבה לכך היא שלפוטונים אדומים אין מספיק אנרגיה כדי לשחרר אלקטרונים מהאטומים של צבענים אדומים בשכבה הפעילה. 20% הנוספים של האור האדום שעובר דרך החלון ומרכיב את החלון, כמו גם הנוף דרך החלון, נראים אדומים. שינינו את השכבות הפעילות כדי שיכילו צבען שלישי שהפוטונים האדומים יכולים לשחרר ממנו את האלקטרונים. על ידי כך, היינו מסוגלים ליצור שכבות פעילות בעלות T% של 60% עבור כל שלושת הצבעים הראשיים (איור 3A). השכבות הפעילות האלה חסרות-צבע מאחר שהן מעבירות את כל האור שהעין האנושית יכולה לקלוט באותה הכמות, מה שהופך את גרף T% להיראות כקו אופקי.
- איור 3 - ממצאים מהמחקר שערכנו.
- (A) כשמדדנו את כמות האור המועבר דרך החלונות בצבע אדום שלנו, מצאנו ש-T% היה גבוה ב-20% עבור אור אדום ביחס לאור ירוק או כחול (קו אדום מקווקו). כשהוספנו כימיקל שלישי שיכול לקלוט פוטונים אדומים, T% היה בקירוב 60% עבור כל שלושת צבעי האור, והחלונות הסולריים היו חסרי-צבע. (B) לחלונות רגילים יש T% של בערך 70%, ולכן הנוף דרך החלונות הסולריים שלנו נראה מעט כהה יותר, אך הצבעים שלו אינם משתנים.
אולם, אפילו עם התערובת הראויה בין שלושת הצבעים, ה-T% בפועל של החלון הסולרי שלנו עומד על כ-43%, מאחר שהרכיבים בשכבות האלקטרודה מפחיתים את כמות האור שמועבר. ה-T% של חלון רגיל הוא כ-70%. המשמעות היא שהחלונות הסולריים שלנו ייראו קצת יותר כהים מחלונות רגילים (איור 3B), אך היתרון הוא שהם יוכלו להתמיר כ-4% מאור השמש שפוגע בהם לחשמל!
האם חלונות סולריים יכולים לייצר מספיק חשמל?
כשאנו מְחַשְּׁבִים את כמות החשמל שאנו משתמשים בה או מייצרים, אנו עושים שימוש ביחידה שנקרא ואט, שהיא מדד לכוח חשמלי. הכוח שאנו מקבלים מאור השמש על פני אזור של מטר מרובע אחד הוא אלף ואט. החלונות הסולריים שלנו הם בדרך כלל בגובה של 1.9 מטרים וברוחב של 1.3 מטרים, ויכולים להמיר 4% מאור השמש לחשמל. נחשב כמה חשמל תא סולרי אחד יכול לייצר:
אזור החלון: 1.9 מטר 1.3 X מטר = 2.47 מ2 (נעגל למעלה ל-2.5 מ2; מ2 = מטר מרובע).
באמצעות שימוש באזור החלון, הכוח הסולרי שמתקבל מחלון אחד נהיה: 2.5 מטרים מרובעים 1,000 X ואט/מ2 = 2,500 ואט.
אם כן, החשמל שמיוצר על ידי חלון אחד הוא: 2,500 ואט 4% X = 2,500 ואט 0.04 X = 100 ואט.
מסכי טלוויזיה שטוחים משתמשים ב-90 ואט של חשמל; תוכלו לטעון טלפון נייד עם 5 ואט, ומחשב לוח (טאבלט) עם 12 ואט; עבור מחשב נייד, תצטרכו בסביבות 50 ואט. לכן, אם יש בביתכם טלוויזיה אחת, שני טלפונים ניידים, מחשב לוח אחד ושני מחשבים ניידים, תצטרכו: 90 ואט + (5 X 2 ואט) + 12 ואט + (50 X 2 ואט) = 212 ואט. באמצעות 3 חלונות סולריים, תוכלו בקלות להשתמש בכל המכשור האלקטרוני הזה באותו הזמן!
מה במקרה שבו המיקרוגל שלכם צורך 500 ואט? המשמעות היא שתזדקקו ל-5 חלונות פעילים. האם ביכולתנו לייצר חלונות סולריים של 500 ואט? נכון להיום, קשה לייצר חלונות של 500 ואט בעלי T% מעל 40%, ועקב כך הנוף דרך חלונות אלה ייראה די כהה. כעת אנו בוחנים צבענים חדשים במטרה לייצר חלונות של 250 ואט בעלי T% של כ-40%. באמצעות שני חלונות כאלה בלבד, נוכל להפעיל מיקרוגל של 500 ואט!
מרבית האנשים משתמשים במיקרוגל במשך 10-5 דקות ביום, ולכן ישנם זמנים שבהם החלונות הסולריים שלנו ייצרו יותר חשמל ממה שצריך. ניתן להשתמש בסוללות כדי לאגור את החשמל העודף לשימוש מאוחר יותר. אם נשתמש בחלונות סולריים ובסוללות יחד, נהיה מסוגלים להפעיל את כל מכשירי האלקטרוניקה בבתינו. החשמל שאגור בסוללות יוכל לְשַׁמֵּשׁ גם כדי להפעיל את מכשירי האלקטרוניקה שלנו בלילה, או כשאין אור שמש.
סיכום
באמצעות שכבה פעילה שמכילה שלושה צבענים, באפשרותנו לייצר חלונות סולריים שמעבירים בסביבות 40% מאור השמש דרכם, בלי לשנות את צבעי הנוף הטבעי. כל אחד מהחלונות האלה יכול לייצר כ-100 ואט, ואנו עוסקים בפיתוח דרכים נוספות שבהן נוכל לייצר יותר כוח מחלון בודד. החלונות הסולריים האורגניים הם זולים ואינם מפריעים לנוף, לכן ניתן להתקינם בכל מקום כדי להפעיל ציוד חשמלי. מאחר שעם הזמן הַחֶבְרָה שלנו משתמשת ביותר ויותר כוח חשמלי, חלונות סולריים יהיו לטכנולוגיית מפתח המבטיחה שנוכל לקיים חברה מודרנית בלי לגרום לבעיות סביבתיות.
מילון מונחים
צבען אורגני (Organic Colorant): ↑ חומר כימי המורכב מאטומי פחמן, שיכול לתפוס אור שמש. צבענים מספקים צבעים למזון, לעלים של עצים ואפילו לעורכם.
שכבה פעילה (Active Layer): ↑ יריעה דקה מאוד בחלון סולרי, שתופסת אור ומתמירה אותו לחשמל.
אלקטרודה (Electrode): ↑ יריעת מתכת המשמשת לתפיסת אלקטרונים או לשחרורם.
אלקטרון (Electron): ↑ חלקיק קטן עם מטען חשמלי שלילי. תנועת אלקטרונים ממקום אחד לאחר מייצרת חשמל.
זרם חשמלי (Electrical Current): ↑ זרם של אלקטרונים מאלקטרודה אחת לאחרת, שמייצר חשמל.
פוטון (Photon): ↑ חלקיק אור. לפוטונים בעלי אנרגיות שונות יש צבעים שונים.
אור מועבר (Transmitted Light (T%)): ↑ אחוז האור שעובר דרך משהו, כמו חלון.
הצהרת ניגוד אינטרסים
המחברים מצהירים כי המחקר נערך בהעדר כל קשר מסחרי או פיננסי שיכול להתפרש כניגוד אינטרסים פוטנציאלי.
מאמר המקור
↑Sano, T., Inaba, S., Vohra, V. 2019. Ternary active layers for neutral color semitransparent organic solar cells with PCEs over 4%. ACS Appl. Energy Mater. 2:2534–40. doi: 10.1021/acsaem.8b02144
מקורות
[1] ↑ Renewable Energy Policy Network for the 21st Century (REN21). 2019. Renewables 2019 Global Status Report. Available online at: https://www.ren21.net/reports/global-status-report/
[2] ↑ Vohra, V., Uchiyama, T., Inaba, S., and Okada-Shudo, Y. 2019. Efficient ultrathin organic solar cells with sustainable β-carotene as electron donor. ACS Sustain. Chem. Eng. 7:4376–81. doi: 10.1021/acssuschemeng.8b06255
[3] ↑ Inaba, S., Arai, R., Mihai, G., Lazar, O., Moise, C., Enachescu, M., et al. 2019. Eco-friendly push-coated polymer solar cells with no active material wastes yield power conversion efficiencies over 5.5%. ACS Appl. Mater. Interfaces 11:10785–93. doi: 10.1021/acsami.8b22337