אוטוסטרדה אלקטרונית

 

בדרך כלל, כידוע, מוטב להימנע מפגמים. אבל תגלית מפתיעה של מדעני מכון ויצמן מראה, כי פגמים בחומר שממנו עשויים תאים סולריים מסוימים עשויים דווקא לשפר את יעילות פעילותם של התאים האלה, הממירים אנרגיית שמש לאנרגיה חשמלית. תגלית זו של מדעני המחלקה לחקר חומרים ופני שטח במכון ויצמן למדע התפרסמה באחרונה בכתב-העת ADVANCED MATERIALS והוצגה בכנס המרכזי של האגודה האירופית לחקר חומרים.

 

ביום שמש רגיל מגיעים לכדור-הארץ בערך 1,000 וואט של אנרגיה סולרית לכל מטר מרובע. אם היינו מצליחים לנצל ולו רק חלק קטן מהאנרגיה הזאת, היינו יכולים לספק - בחינם - את כל תצרוכת האנרגיה העולמית, דבר שהיה משנה את פני הכלכלה העולמית. אולם תאים סולריים (הממירים אנרגיית שמש לחשמל) הם יקרים, רגישים ומתכלים, בהשוואה לפתרונות אחרים להפקת חשמל, כך שלא תמיד כדאי להשתמש בהם. ממצאי המחקר של מדעני המכון מראים, כי תאים סולריים זולים יכולים להיות יעילים באותה מידה כמו תאים יקרים הרבה יותר, המיוצרים ונמכרים כיום במקומות רבים בעולם.

 

רוב התאים הסולריים המסחריים עשויים ממוליכים למחצה חד-גבישיים יקרים כגון סיליקון. אך היכולת של סיליקון לספוג אור היא מוגבלת, ותהליך הייצור של תאים סולריים העשויים ממנו יקר. לכן, מדענים רבים, בכל העולם, מחפשים תחליף יעיל וכלכלי יותר. כבר לפני שנים רבות התגלה כי תאים סולריים העשויים חומרים מסוימים, שמאורגנים בתצורה רב-גבישית, יעילים יותר מתאים סולריים העשויים מאותו חומר כשהוא בתצורה חד-גבישית. תופעה זו עמדה בניגוד למצופה: שכבות החומר הרב-גבישיות כוללות פגמים רבים, שלפי הידוע היו אמורים להפריע להמרת האור לחשמל. תעלומה זו נפתרה באחרונה על-ידי תלמידת המחקר דאז, ד"ר איריס ויסולי-פישר, שעבדה בהנחייתו של פרופ' דוד כאהן מהמחלקה לחקר חומרים ופני שטח במכון ויצמן למדע, ובשיתוף פעולה עם ד"ר סידני כהן, ראש המעבדה לפני- שטח, במכון ויצמן (חלק מהמחקר היא ביצעה במעבדותיהם של פרופ' ישראל בר-יוסף, ראש המחלקה לפיסיקה של חומר מעובה במכון ויצמן למדע, וד"ר אריה רוזין מהמחלקה לאלקטרוניקה פיסית של אוניברסיטת תל אביב). המדענים גילו, שהגברת היעילות של שכבות החומר הרב-גבישיות נובעת מאופיו המיוחד של "גבול הגרעין", כלומר, האיזור שבו החלקיקים המרכיבים את שכבות החומר האלה נפגשים ונוגעים זה בזה.

 

ממצא מפתיע זה עלה כאשר החוקרים שבדקו את תיפקודם של התאים הסולריים הצליחו לבחון את הפעילות המיקרו- סקופית של התא, כלומר - את תהליך המרת האנרגיה המתחולל בחלקיקים שגודלם כמאית מעוביה של שערת אדם. למעשה, הם הצליחו לבדוק את תכונותיו החשמליות של "גבול גרעין" אחד בנקודת מפגש בין חלקיקי התא הסולרי. כדי לעשות זאת נדרשו המדענים להתאים לצורכיהם שיטות שיאפשרו מדידות חשמליות בסדרי גודל ננומטריים (ננומטר הוא מיליארדית המטר). מדידות אלה העלו בבירור, כי השיפור בביצועיהם של התאים הסולריים העשויים חומרים רב-גבישיים נובע מההתנהגות של החומר באזורים שנמצאים בין הגרגירים וקרובים אליהם.

 

אבל מדוע זה קורה? מדעני המכון מצאו, שתופעה זו קשורה לאחד מעקרונות הפעולה הבסיסיים של התאים הסולריים. המוליך למחצה שבתא משמש כמעין "אנטנה" שקולטת את אנרגיית האור, וכתוצאה מכך משחררת אלקטרונים שאותם אפשר לאסוף כזרם חשמלי, אשר מופנה לשימושים שונים. מערכת הניסוי הייחודית שפיתחו מדעני המכון איפשרה להם להבחין בכך שאזורי המגע בין פני השטח של הגבישים המרכיבים את התאים הסולריים יוצרים בשביל האלקטרונים "דרך מהירה" שמתחוללים בה פחות "פקקי תנועה", בהשוואה למסלולי התנועה החוצה שקיימים בתאים העשויים חומרים חד-גבישיים יקרים. המדענים סבורים, שממצא זה עשוי לאפשר פיתוח דרכים חדשות וחומרים חדשים, שיובילו לשיפור היעילות של תאים סולריים ולהפחתת עלות השימוש בהם.