תַקצִיר
מציאת פתרונות לייצור אנרגיה בלתי מזהמת היא נושא בעל חשיבוּת עליונה במאבק בהתחממות העולמית. תאים סולריים המייצרים אנרגיה חשמלית מאור השמש הם הפתרון המיטבי לכך. במאמר זה אסביר מהו תא סולרי, לְמָה הוא משמש וכיצד הוא פועֵל. היכולת לייצר חשמל מאור השמש מתקבלת על ידי חיבור של כמה חומרים בעלי תכונות שונות אשר מסוגלים להפיק חשמל מאור השמש. במאמר אציג תגלית אחרונה פורצת דרך בתחום זה: חומר חדש הנקרא פֶּרוֹבְסְקַייט (Perovskite), אשר שינה את כללי המשחק בכל הקשור לייצור אנרגיה חשמלית מאור השמש. הפרובסקייט מוזיל באופן משמעותי את עלות התאים הסולריים. נוסף על כך חומר זה פוֹתח צוהר לשימושים שלא היו אפשריים קודם לכן בתאים סולריים כגון חלונות סולריים; הטענַת טלפונים ניידים ומכוניות ועוד.
מהו תא סוֹלרי?
תא סולרי מֻשְׁתָּת על הָאֶפֶקְט הַפוֹטוֹאֶלֶקְטְרִי. אפקט זה מבוסס על יצירת מִטענים שליליים (אלקטרונים) וחיוביים (חוֹרים) בתוך חומר אשר בולע את האור. חומר זה נקרא מוליך לְמֶחֱצָה. עקב בליעת אור בחומר המוליך למחצה נוצרים אלקטרונים וחורים אשר נמשכים זה לזה במהירות, ופולטים חזרה אנרגיה בצורת אור (תהליך הנקרא רֶקוֹמְבִּינַצְיָה). אם נוכל למנוע את חיבור האלקטרונים והחורים, ניתן יהיה להפריד ביניהם ולייצר חשמל. זהו העיקרון שעליו מבוססת פעילוּת התא הסולרי.
איור 1 מציג סְכֶמָה של התא הסולרי–התא בנוי מחומר מוליך למחצה אשר בולע את אנרגיית האור. מעל לחומר המוליך למחצה ומתחתיו נמצאים שני חומרים נוספים שתפקידם להוליך את האלקטרונים והחורים, ומכונים בהתאמה חומר מוליך אלקטרונים וחומר מוליך חורים. התא הסולרי עצמו נבנה על גבי מצע זכוכית, כפי שניתן לראות באיור.
- איור 1 - עיקרון פעולת התא הסולרי.
- ניתן לראות את הכיוון שממנו פוגע אור השמש, וכן מהיכן מחוברים החוטים לתא הסולרי כדי לחלץ את המִטענים שיוצרים את הזרם החשמלי.
מקרא: Electricity = חשמל
Metal contact = מגע חשמלי
Hole transport material = חומר מוליך חורים
Semiconductor material = חומר מוליך למחצה
Electron transport material = חומר מוליך אלקטרונים.
אור השמש עובר דרך הזכוכית ופוגע בשכבת החומר המוליך למחצה. עקב כך נוצרים בחומר זה כאמור אלקטרונים וחורים. כדי למנוע את חיבורם יחד (תהליך הרקומבינציה), החומר אשר מוליך את האלקטרונים מושך אליו את האלקטרונים, ואִלּוּ החומר אשר מוליך את החורים מושך אליו את החורים. כתוצאה מכך נוצרת הפרדַת מִטענים, וכל מטען זורם למגע אחר. במגעים השונים מחולצים המטענים לחוטי החשמל המחוברים לתא הסולרי, וניתן להשתמש בחשמל זה לכל מטרה.
מהו פּרובסקייט ומה כל כך מיוחד בו?
לאחרונה התגלה חומר מוליך למחצה שנקרא פֶּרוֹבְסְקַייט. חומר זה פועל בצורה מצוינת בתא הסולרי. הוא פשוט מאוד להכנה, ולכן גם מאפשר יצירת תא סולרי בעלוּת נמוכה יחסית לעלויות התאים הסולריים הקיימים כיום. זהו אחד היתרונות העיקריים לפיתוח טכנולוגיית הפרובסקייט.
חומר זה, שהוא במקורו מִינֶרָל, התגלה לראשונה על ידי המִינֶרוֹלוֹג הגרמני גוּסטָב רוֹז בשנת 1839, ושמו ניתן לו על שם המינרולוג הרוסי לֵב פֶּרוֹבְסְקִי, אשר גילה את המבנה הראשוני של החומר. החומר המקורי מורכב מאטוֹמים של כמה יסודות: קַלְצְיוּם (סידן, Ca), טִיטַנְיוּם (Ti) וחמצן (O). אלה הם יסודות כימיים המצויים בטבע, אשר יחד יכולים להרכיב חומרים שונים ובהם הפרובסקייט, המכונה גם קלציום טיטנאט ונוסחתו הכימית CaTiO3.
אך הפרובסקייט המקורי אינו מתאים לשימוש בתאים סולריים, מאחר שאין לו התכונות הנדרשות לכך, כפי שהוצגו בפרק הקודם למאמר. דוגמאות לתכונות הנדרשות לצורך התאמה לשימוש בתאים סולריים הן בליעת אור בטווח רחב וכן הולכה טובה תחת הֶאָרַת אור השמש, תכונות אשר הפרובסקייטים המקוריים, המבוססים על חמצן, אינם מצטיינים בהן.
לפני כמה שנים אירעה תגלית פורצת דרך כאשר פרובסקייט שאינו מבוסס על חמצנים הוכן במעבדה, ונֻסָּה בכמה תאים סולריים [2]. פרובסקייט זה הראה תכונות מעניינות המאפיינות מוליך למחצה ובהן יְכֹלֶת הולכַת מטענים באור מצד אחד ומנגד יכולת להיות מבוֹדֵד בחושך, וכן בליעת אור בטווח רחב. תכונות מֵעֵין אלה הן אטרקטיביוֹת מאוד עבור תאים סולריים.
מאז אותה תגלית, השימוש בחומר הפרובסקייט צבר תאוצה במהירות, והתגלו תכונות רבות נוספות המאפיינות אותו כגון יכולתו לבלוע את אור השמש באנרגיות שונות על ידי שינוי הכימיה של החומר [3]. כיצד זה עשוי לשמש כיתרון עבורנו? אם ביכולתנו להחליט איזו אנרגיה יבלע החומר שלנו מאור השמש, ניתן יהיה למשל לתכנן את הצבע של התא הסולרי, ולהכין תא חצי שקוף אשר בולע חֵלֶק מהאור, ומעביר את חלקוֹ האחר. שימוש מעניין לכך הוא חלונות לבניינים אשר יהוו חלון מצד אחד ותא סולרי מהצד האחר. זוהי רק דוגמה אחת לדרכי השימוש שהפרובסקייט מאפשר בתאים הסולריים.
דבר מעניין נוסף בפרובסקייט הוא היכולת להכינו בטמפרטורות נמוכות. מדוע זה חשוב ומשנה? ראשית, טמפרטורה נמוכה מוזילה את עלות הייצור באופן משמעותי, וזהו מרכיב בעל חשיבוּת עליונה. שנית, הכנַת התא הסולרי בטמפרטורה נמוכה של כ-80 מעלות צלזיוס מאפשרת להרכיב תאים סולריים גמישים. גמישוּת תאים סולריים פותחת את האפשרות להשתמש בהם במגוון תחומים ויישׂומים דוגמת תעשיית הרכב; חקלאות; טלפונים ניידים ועוד.
תא סולרי מבוסס פּרובסקייט
איור 2 מתאֵר ציור סכמטי של התא הסולרי, והשכבות השונות הקיימות בו.
- איור 2 - מבנה התא הסולרי.
- מבנה סכמטי של התא הסולרי המציג את השכבות השונות המעורבות בפעילות התא הסולרי. נלקח מהמאמר של Schneider et al. [1].
כעת נתאר באופן איכותי את הכנַת התא הסולרי, ונפרט על אודות תכונותיו. התא הסולרי מבוסס על מתכות מחומצנות, ותהליך הכנתו כולל הדפסה של כמה שכבות עשויות נָנוֹ-חלקיקים של מתכות מחומצנות. מבנה מֵעֵין זה יוצר מצע פּוֹרוֹזִיבִי (מלא חורים קטנים) ודק מאוד (בעובי כמה מיקרומטרים, כאשר מיקרומטר = 0.000001 מטר). אל תוך מצע זה מורחים את הפרובסקייט, אשר מחלחל דרך המצע ומשלים את התא הסולרי. תא סולרי כזה יכול לְשמש למגוון טכנולוגיות, בין השאר עבור תאים בעלי יכולת הפקַת אנרגיה ביעילות גבוהה וכן לתאים בעלי שקיפוּת וצבע מסוים, לתחום הבנייה למשל.
בחינת יעילוּת תאים סולריים מבוססי פּרובסקייט
כדי למדוד את יעילותם של התאים הסולריים נעשה שימוש במכשיר הַמְּדַמֶּה את אור השמש. הַתאים מוקרנים באור מנורה אשר לה טווח אנרגיות הדומה לטווח האנרגיות של אור השמש, ובעל עוצמה המְּדַמָּה את השמש בשעות שונות ביום [4]. במהלך המדידה מופעל על התא הסולרי מֶתַח, ומודדים את הַזֶּרֶם שהתא מייצר. בעזרת נתונים אלה ניתן לקבל אופיָין (גְּרָף לתיאור תכונה או תהליך פיזיקליים) זֶרֶם-מֶתַח, שממנו אפשר לְחַשֵּׁב את יעילוּת התא; המתח שהוא מספֵּק; הספּקוֹ ונתונים נוספים.
גורם חשוב בבדיקת טכנולוגיה כלשהי ותאים סולריים בפרט, הוא יציבותם. אנו מעוניינים לוודא כי התאים הסולריים שאנו מפתחים יוכלו לעבוד למשך 20 שנים לפחות, ללא תקלות. כדי להבטיח זאת לא נוכל לחכות את כל מֶשֶׁךְ השנים הללו. לכן, ישנם מבחני יציבוּת של התאים הסולריים, אשר מספּקים הַעֲרָכָה לגבי יכולתו של התא הסולרי לעבוד במשך 20 שנים בתנאים מחמירים. באיור 3 ניתן לראות מעקב אחר יציבותם של תאים סולריים לאורך יותר מ-40 ימים, אשר מַקְנֶה הערכה טובה שלפיה תאים אלה יוכלו לפעול כ-20 שנים ללא תקלות. באיור מתוארים כמה פרמטרים חשמליים שניתן לעקוב אחריהם במהלך המדידה כגון (משמאל למעלה, נגד כיוון השעון): זרם התא במתח אֶפֶס Jsc ; מתח התא במעגל פתוח Voc ; יעילות המרת האנרגיה של תאים PCE, ופַקְטוֹר האידיאליוּת FF.
- איור 3 - יציבוּת התאים הסולריים למשך יותר מ-40 ימים.
- נלקח מהמאמר של Schneider et al. [1].
תוצאות אלה מלמדות על ההבטחה הרבה הטמונה בטכנולוגיה זו, אשר נוסף על יתרונותיה הרבים מדגימה יציבוּת גבוהה.
סיכום
בשנים האחרונות, אנרגיות מתחדשות ממלאות תפקיד מרכזי בקידום האנוֹשוּת ובהן האנרגיה הסולרית ואנרגיית הרוח. בתחום האנרגיה הסולרית, תאים סולריים מבוססי פרובסקייט הגיעו בתוך מספר שנים מועט ליעילות גבוהה, המציבה טכנולוגיה זו כמובילה מבּין טכנולוגיות האנרגיה הסולרית הקיימות. החוקרים משוכנעים כי טכנולוגיה ייחודית זו יכולה לשמֵּש לכמה יישׂומים ובהם תאים חצי שקופים ותאים המסוגלים להתחבר לתאים סולריים מטכנולוגיה קיימת. על ידי כך אנו 'מרוויחים' את יעילותם של שני סוגי התאים הסולריים.
מילון מונחים
האפקט הפוטואלקטרי (Photoelectric Effect): ↑ פגיעה של אנרגיית אור גורמת ליצירת מִטענים חיוביים ושליליים–חורים ואלקטרונים בחומר, בהתאמה, אשר בהפרדתם ניתן לייצר חשמל.
חומר מוליך למחצה (Material Semiconductor): ↑ חומר הָרָגִישׁ לאור. בזמן הֶאָרָה החומר מוליך, ובחושך החומר מבוֹדֵד.
פרובסקייט (Perovskite): ↑ שֵׁם של חומר מוליך למחצה המשמש בתאים סולריים.
מינרל (Mineral): ↑ חומר שנוצר בתהליכים טבעיים, והוא בעל הרכּב אחיד.
מתכות מחומצנות (Oxidized Metals): ↑ מתכות המכילות אטומי חמצן.
ננו-חלקיקים של מתכות מחומצנות (Nanoparticles (NPs) of Oxidized Metals): ↑ חומר בגודל 0.000000001 מטר. חלקיקים מזעריים שניתן לראותם רק במיקרוסקופ בעל רזולוציה גבוהה, המתגבשים לחומר בעל אלפי חורים קטנים (פורוזיבי), ובכך יוצרים שטח פנים גדול מאוד לספיחת חומר נוסף אליהם.
הצהרת ניגוד אינטרסים
המחברים מצהירים כי המחקר נערך בהעדר כל קשר מסחרי או פיננסי שיכול להתפרש כניגוד אינטרסים פוטנציאלי.
מאמר המקור
↑ Schneider, A., Efrati, A., Alon S., Sohmer, M., and Etgar, L. 2020. Green energy by recoverable tripleoxide mesostructured perovskite, photovoltaics. Proc. Natl. Acad. Scie. U. S. A. 117:31010–7. doi: 10.1073/pnas.2013242117.
מקורות
[1] ↑ Schneider, A., Efrati A., Alon, S., Sohmer, M., and Etgar, L. 2020. Green energy by recoverable tripleoxide mesostructured perovskite photovoltaics. Proc. Natl. Acad. Scie. U. S. A. 117:31010–7. doi: 10.1073/pnas.2013242117
[2] ↑ Etgar, L. 2018. The merit of perovskite’s dimensionality; can this replace the 3D halide perovskite? Energy Environ. Sci. 11:234–42. doi: 10.1039/C7EE03397D
[3] ↑ Cohen, B. E., Li, Y., Meng, Q., and Etgar, L. 2019. Dion–Jacobson two-dimensional perovskite solar cells based on benzene dimethanammonium cation. Nano Lett. 19:2588. doi: 10.1021/acs.nanolett.9b00387
[4] ↑ Grancini, G., Roldan-Carmona, C., Zimmermann, I, Mosconi, E., Lee, X, Martineau, D, et al. 2017. One-Year stable perovskite solar cells by 2D/3D interface engineering. Nat. Commun. 8:15684. doi: 10.1038/ncomms15684