המהפיכה הסולארית

במעבדות הננו-טכנולוגיה של אוניברסיטת בר אילן זוממים מהפיכה בתפיסת התאים הסולאריים. איך היא תיראה? ומדוע?

דוגמא לתא סולארי גמיש מרוגש צבע שיוצר עלי יד ד"ר לריסה גריניס במעבדתו של פרופ' צבן

בבניין הננו-טכנולוגיה באוניברסיטת בר אילן, תחת ניצוחו של פרופסור אריה צבן, מתנהל מחקר אינטנסיבי בתחום האנרגיה הסולארית. מתוך מגוון קבוצות המחקר הפעילות בתחום, שתיים עוסקות בפיתוח תאים פוטו-וולטאים של הדור הבא. הם אמורים להיות זולים יותר ופשוטים יותר לייצור, ולהשיג לפחות את אותה יעילות אנרגטית, כמו התאים הקיימים כיום בשוק.

קבוצה אחת מוביל ד"ר סוון רולה עם צוות המונה את ד"ר אסף אנדרסון, ד"ר יניב בוהדנה, שי יהב, בנימין קופפר, חנה נועה ברעד, ואלי ראש חודש. צוות זה פיתח דרך ייחודית לבדיקת חומרים חדשים ליצור תאים. את הקבוצה השניה מובילים ד"ר לריסה גריניס וד"ר שי תירוש, יחד עם צוות המונה את ד"ר ולדימיר גינודמן, שלום מני, ציון טחן, סופי בוחבוט, עידן הוד, רונן גוטסמן, ומרינה ברמק שמפתחים תאים מבוססי צבע וקוואנטום דוטס (quantum dots).

דרושים: חומרים חדשים

"אחת הבעיות כיום במשטחים פוטו-וולטאיים קשורה ליציבות. כל כניסה של אוויר או מים פוגעת ביעילות שלהם. אנחנו מבססים את המחקר על אוקסידים (Oxide) בגלל היציבות. מדובר על מתכת שנמצאת באוויר והופכת לאוקסיד. אם אתה עובד עם אוקסידים, כל מה שצריך לקרות כבר קרה”, אומר ד"ר סוון רולה, ראש פרוייקט מחקר לחומרים פוטו וולטאים באוניברסיטת בר אילן. "אנחנו מחפשים חומרים חדשים שיכולים לשמש לצורך כך, זה המחקר שלנו. כרגע אנו עובדים עם אוקסידים שאנו מכירים”.

יתרון נוסף של קבוצת המחקר אותה מוביל רולה, הוא היכולת לעבור מפיתוח ליצור במהירות ובלי תהליך יצור מורכב. "זה לא סיליקון שצריך תהליך ייצור מיוחד או PV אורגני, שהאתר צריך להיות סגור. עם אוקסידים אתה יכול לרסס את המשטח באוויר הפתוח, וזה החזון שלנו. אפשר לקחת כל מוצר, לרסס כמה שכבות, לשים רשת מתכת שתעביר זרם, וזהו. יעילות כרגע לא בפוקוס, אלא אנחנו חושבים יותר על המחיר הסופי, ושזה עובד. אם נגיע ליעילות של סיליקון זה מספיק”, מסביר ד”ר רולה.

כיום, בסיליקון, מדברים על יעילות מרבית של כ-17 אחוזים. זה אומר שמתוך האנרגיה המתקבלת מהשמש, 17 אחוז ממנה הופך בסוף לאנרגיה חשמלית. השמש מספקת ביום כ-1000 וואט למטר מרובע, כלומר אפשר לקבל בערך 170 וואט למ"ר. ד"ר רולה אומר שאם קבוצת המחקר שלו תגיע ליעילות של 10 אחוז עם החומרים החדשים, זה יהיה מצויין.

קולומבוס של הטבלה המחזורית

ד"ר רולה מסביר שבאור לבן יש כל מיני סוגים של אנרגיה. לא כל פוטון הוא מספיק חזק כדי לספק אלקטרונים, ויש פוטונים עם הרבה אנרגיה, שהופכת בסוף לחום ולא לחשמל. היעילות המרבית התיאורטית של תא פוטו-וולטאי היא כ-33 אחוזים עם חומר אידיאלי, והרעיון הוא למצוא את החומר הכי יעיל כדי להוציא את מירב האנרגיה החשמלית מהפוטון.

"אם אתה מסתכל על הטבלה המחזורית, אנחנו מכירים את כל החומרים שיש בהם אלמנט אחד. אם לוקחים שני אלמנטים ומייצרים מהם חומר חדש (קוראים לזה Binary), מדובר על חומרים שאנו מכירים את רובם. כאשר לוקחים שלושה אלמנטים, יש יותר אפשרויות ואת רוב החומרים הללו אנחנו לא מכירים. אם לוקחים ארבעה או חמישה אלמנטים, אלו חומרים שכמעט לא מכירים בכלל. אולי יש אותם בטבע, אולי אין, אבל לא מכירים אותם. במעבדה אנחנו בודקים חומר אחרי חומר לראות את התכונות שלו בהיבט של כריית אנרגייה חשמלית מפוטון”, אומר ד”ר רולה.

"היעד שלנו הוא למצוא חומר זול שיוריד את עלות המשטחים הפוטו-וולטאים. אנחנו חושבים על אוקסידים של ברזל או נחושת. על הכוונת שלנו חומרים שיש מספיק מהם. גם סיליקון יש הרבה, אבל הבעיה שלו היא תהליכי הייצור המורכבים. "כיום אנרגיה סולארית זו שאלה של תקציב. הסינים, האמריקאים והאירופאים משקיעים בזה כסף, ויקח כמה שנים עד שהמחיר ירד. אני חושב שיום אחד נגיע למצב שאנרגיה סולארית לא תהיה תלויה בהחזרים של חברת חשמל כמו שקורה היום בהרבה מדינות”.

חלק נוסף וחשוב בטכנולוגיה הסולארית קשור לאגירת האנרגיה. היום מדברים על פתרונות כמו SmartGrid וסוללות נטענות. "בסוף אתה רוצה לראות טלוויזיה בערב”, אומר ד”ר רולה. "זה לא תחום המחקר של הקבוצה שלנו, אבל יש בבר אילן קבוצות אחרות שחוקרות את הנושאים האלו”.

מכוניות סולאריות

"לתא הסולארי לא משנה אם האובייקט נמצא בתנועה או לא. הבעיה היא בגודל שטח הפנים. אם אתה חושב על רכב, למשל, כמה מ"ר יש לו? 10, נניח. זה אומר שבמקסימום אתה יכול לקבל 10 קילו וואט ביעילות של 100 אחוז. זה לא מספיק”. ד"ר רולה טוען שאם רוצים רכבים סולאריים, צריך לשנות את התפיסה לגבי תכנון הרכב.

"במצב כיום אתה מזיז טון וחצי, כאשר המשקל שלך כבן אדם הוא הרבה פחות. זה לא אפקטיבי. אם רוצים מכוניות סולאריות, צריך רעיון חדש שמתחיל בכמות האנרגיה שאפשר לקבל מהשמש. בתיאוריה אפשר לקבל על 10 מ"ר בערך 3 קילו-וואט. תמצא דרך להזיז את המשקל שלך בכמות כזו של אנרגיה או תשתמש בסוללות שתטעין בבית. "יש כיווני מחקר שהצליחו להגיע לסביבות ה-42 אחוזים יעילות עם טכנולוגיות תרמו-דינמיות של ריכוז אנרגיית השמש. זה לא משהו שתרצה להשתמש בבית”.

מעבר מהיר לייצור

אחד היתרונות בקבוצת המחקר של ד"ר רולה, היא האפשרות ל-UP Scaling מהיר מאד ובלי טכנולוגיה מורכבת. "הרבה פעמים אתה מוצא חומר שעובד טוב על סנטימטר מרובע אחד, אבל במשטחים גדולים לא עובד טוב, או מסובך מידי לייצר אותו. אם אנחנו מוצאים חומר מתאים, אפשר להגיע אתו לשוק בזמן קצר מאד”.

הפיתוח המיוחד של קבוצת המחקר מאפשר לעשות ניתוח על קומבינטוריקה של חומרים. מדובר על יצירת משטח המכיל 169 נקודות (רשת של 13 על 16) המייצגות הרכבים שונים של אותו החומר וכל נקודה מייצגת תא סולארי. את המשטח מכניסים לסורקים מיוחדים, שיודעים לנתח את הפרמטרים השונים של החומר. הגודל של המשטח הוא נגזרת של המרחק המינימלי האפשרי בין הנקודות כדי שבמדידה יהיה אפשר למדוד את בדיוק את הנקודה. ייתכן ובעתיד תאפשר הטכנולוגיה לייצר משטח עם אלפי נקודות ולהאיץ את בדיקת החומרים.

"לבנות משטח כזה עם כל השכבות זה יום עבודה. אחר כך המשטח עובר לסורקים אוטומטיים שנותנים לנו את התוצאות לאחר מספר שעות. את הרעיון של הקומבינטוריקה של החומרים אפשר ליישם גם באלקטרוניקה למשל, לצורך בדיקה של זיכרונות או דברים אחרים. בנוסף למחקר שלנו, אנו שותפים לפרוייקט חדש עליו עובדות יחד כמה אוניברסיטאות בארץ במטרה לפתח תאים פוטו-וולטאים ואנחנו רוצים שיהיה בסיס הנתונים משותף לכל הקבוצות”.

תאים מרוגשי צבע

קבוצת מחקר אחרת בראשותו של פרופ' צבן באותו בניין, ד"ר לריסה גריניס, וד"ר שי תירוש, חוקרים תאים סולאריים מרוגשי צבע (DSSC). מדובר בטכנולוגיה חלופית לתאי הסיליקון שהכנתם יקרה ותוצרי הלוואי שלהם מזהמים את הסביבה. "המטרה היא למצוא את הצבע הכי מתאים לרמות האנרגטיות של תמיסת האלקטרוליט שצריכה להחזיר אליו את האלקטרון. הכל קורה בננו-שניות, פיקו ופטו-שניות, והכל צריך להיות מותאם. יש הרבה צבעים שיכולים להיות מתאימים, אבל אנחנו מחפשים את היעילים ביותר, שגם יבלעו אנרגיה וגם ימירו את מרביתה לחשמל”, אומר ד”ר תירוש.

התהליך עובד כך: רמות האנרגיה של החומר הרגש (הצבע) מצומדות לרמות האנרגיה של המצע העשוי מ-titanium oxide. כאשר פוטון מגיע לרגש, הוא מעורר אותו ואלקטרון עובר למצע ובמקום שהיה אלקטרון ברגש נוצר חור (הפרדת מטען). את החור שנוצר ממלא אלקטרון מתמיסת האלקטרוליט הקיימת בתוך התא הפוטו-וולטאי, ואלקטרון אחר חוזר לאלקטרוליט מאלקטרודה אחורית שעשויה מפלטינה. ככה נסגר מעגל ומתקבל זרם חשמלי.

"באותה קבוצת המחקר, עם צוות הכולל את שלום מני, ציון טחן, סופי בוחבוט, עידן הוד, רונן גוטסמן, ומרינה ברמק עובדים גם על טכנולוגיה שנקראת קוואנטום-דוטס. "הרעיון הוא שהחומר בגודל ננו-מטרי מקבל תכונות חדשות כתלות בגודל – זה נקרא אפקט הגודל הקוונטי. קוואנטום-דוטס הוא מקרה של חומר שקיבל תכונות חדשות לגמרי בגודל ננו, מאלו שיש לו בגודל מקרוסקופי גדול”, מסביר ד”ר תירוש.

"יש סדרה של חומרים כאלה, כאשר הם בגודל BULK גדול, הם מוליכים למחצה וכאשר הם בגודל ננו-מטרי הם מגלים תכונות אופטיות וחשמליות חדשות. הנקודות הקוואנטיות הן במימדים של ננו-מטר עד 14 ננו ואותנו מעניינות התכונות החשמליות והאופטיות שלהן. אחת מהן היא היכולת לבלוע כמה שיותר אור, כלומר ספקטרום רחב של אורכי גל. הבליעה והפליטה תלויה בגודל של הנקודות ואחת האפשרויות היא לשים שילובים מסויימים של כמה גדלים, כדי לייצר תכונות חומר חדשות. לנקודות הללו יש גם תכונה חשמלית שהן יכולות לצבור מטען. מבחינת יעילות, מדובר על 5-7 אחוזים בתאים מבוססי צבע. בתאים מבוססי קוואנטום-דוטס מדובר על 3-5 אחוזים”.

הדרך לבדוק את נצילות התאים במעבדה היא באמצעות מדמה שמש בעוצמות שונות. זה מתקן המייצר ספקטרום של אור, המדמה את ההספק שנופל על מטר מרובע בכדור הארץ. כאן נכנס הנושא של הגדרת שמש אחת (One Sun) שעוזרת לאקדמיה ולתעשייה בכל העולם לשמור על תאימות בבדיקת יעילות של תאים פוטו-וולטאים.

"אם נגיע עם התאים שלנו ל-15 אחוז יעילות עם המחיר של היום, ננצח את השוק. יש קהל לקוחות ענק לתאים מבוססי צבע עם יעילות של 10 אחוזים. ההבדל בין תאי צבע לסיליקון, הוא תקופת הזמן הדרושה להחלפה של התאים ומה עלות ההחלפה. הבדל נוסף קשור לזמן התגובה לשינויים באור. בתאים מבוססי צבע זמן התגובה לשינוי באור הוא איטי (סדר גודל כמה עשיריות שניה). אם אני עושה הבהוב בתדר של 200 הרץ למשל, הם כמעט לא יגיבו. סיליקון לעומת זאת, מגיב מהר”, מסביר ד”ר תירוש.

You might be interested also