הינך נמצא כאן

הדור הבא

28.05.2014

מימין: פרופ' דוד כאהן, פרופ' הנרי סניית' ופרופ' גרי הודס. אנרגיות גבוהות
 
המטרה: פיתוח תאים סולאריים יעילים במיוחד, שיהיו חסכוניים, ואשר יהיה קל לייצרם ולהציבם על גגות שונים. פרופ' דוד כאהן ופרופ' גרי הודס, מהמחלקה לחומרים ופני שטח בפקולטה לכימיה של מכון ויצמן למדע, מקווים שחומרים חדשים שפותחו באחרונה ישיגו את המטרה הזאת. "בקרוב נגיע למצב שבו עלות התאים האלה תהיה כה נמוכה, עד שמחירם הסופי ייקבע על-פי העלויות החיצוניות הכרוכות בייצורם ובהתקנתם", אומר פרופ' כאהן.
צילום במיקרוסקופ אלקטרונים סורק של חתך צד בתא סולארי, המבוסס על חומרים פרובסקיטים היברידיים (אורגניים ואי-אורגניים). עירור הפרובסקיט על-ידי האור הנראה וההפרדה בין האלקטרונים ל"חורים" יוצרת זרם חשמלי. בכתום: הפרובסקיט בולע האור. באדום: חומר מוליך למחצה אורגני שמוליך ״חורים״ בלבד אל הקצה העליון (של התמונה). השכבה האפורה העליונה עשויה אלומיניום מחומצן ונקבובי, והשכבה שמתחתיה היא מוליך שקוף. בין שתי שכבות אלה מצויה שכבה דקה וכהה של טיטניום מחומצן, שמאפשר מעבר אלקטרונים בלבד אל הקצה התחתון (של התמונה). הצבעים הוספו באופן מלאכותיהחומרים המלאכותיים החדשים האלה, הקרויים פרובסקיטים (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. אומר פרופ' גרי הודס: "תאים פרובסקיטים הם הסוג הזול הראשון של תאים סולאריים אשר מנצלים 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% מהתאים הסולאריים 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 מהקשרים הכימיים שבהם השתתפו – ומאפשרת להם לזרום. כדי להשלים את התהליך, מוסיפים לסיליקון ולתא הסולארי 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", תוך שהוא שולח את האלקטרונים לצד אחד של התא הסולארי, ואת החורים לצדו השני.
 
אבל אפילו רכיב הסיליקון העתידי הטוב ביותר מסוגל לנצל – לכל היותר – קצת למעלה מרבע מאנרגיית השמש שנופלת על פני השטח שלו. לפוטונים בעלי אורכי גל המצויים בקצה התחתון של הספקטרום האלקטרומגנטי (אינפרא- אדום) אין די אנרגיה כדי לשחרר את האלקטרונים של הסיליקון, ואילו הפוטונים בעלי אורכי הגל המצויים בקצה הגבוה של הספקטרום הם כה אנרגטיים, עד שמרבית האנרגיה שלהם מתבזבזת. מדענים המנסים לשפר את יעילותם של תאים סולאריים חוקרים חומרים שיוכלו לנצל טוב יותר פוטונים בעלי אנרגיות גבוהות, וכך יוכלו לספק כמות גדולה יותר של חשמל משֶטַח פנים זהה. במהלך השנים תרמו קבוצות מחקר רבות ברחבי העולם, בהן קבוצותיהם של פרופ' כאהן ופרופ' הודס, לשיפור יעילותם של התאים. עם זאת, הקצב והמורכבות של השיפורים תיסכלו לעיתים קרובות את המדענים.
 
החומרים הפרובסקיטים נכנסו לזירה בשנת 2009, כאשר קבוצה מיוקוהמה, יפן, השתמשה בהם ליצירת סוג מיוחד של תאים סולאריים. היעילות שהשיגו הייתה מכובדת, אך יציבותם של התאים הייתה גרועה מאוד. בתוך זמן קצר הראו קבוצות מחקר מקוריאה, מאוקספורד, אנגליה (קבוצתו של פרופ' הנרי סניית' - ראו מסגרת), וקבוצתו של פרופ' מיכאל גרצל משווייץ, כיצד אפשר להשיג תאים בעלי יעילות ויציבות טובות יותר, המספקים מתח גבוה יחסית. בתוך זמן קצר יִצרו קבוצות אלה ואחרות תאים סולאריים ניסיוניים מחומרים פרובסקיטים, אשר מתחרים ביעילותם בחלופות הסיליקון, ומייצרים מתח חשמלי גבוה יותר.
 
 
מבט-על בתא סולארי מחומרים פרובסקיטים היברידיים, שיצרו המדענים. התמונה העליונה מראה את השיפור שהשיגו המדענים באחידות הכיסוי של פני השטח, ששיפר את הנצילות של התא ואת המתח שהוא מספק

פרופ' כאהן ופרופ' הודס הבינו, כי חומרים אלה עשויים לענות על הצורך בתאים סולאריים זולים ויעילים, המניבים מתח גבוה, תוך שימוש בחלק גדול של הספקטרום. במספר מאמרים שפירסמו באחרונה ביחד 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 פרובסקיטים את אור השמש לחשמל ביעילות גדולה ובמתח גבוה, וכן להציג מספר שיטות לשיפור תאים סולאריים העשויים מחומרים אלה. בשני מחקרים שהתפרסמו בכתב-העת The Journal of Physical Chemistry Letters, בהם 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"סולאריים" יוצרים מבנים באיכות גבוהה, כלומר, כמעט בלי פגמים ואי-סדרים. ההתנהגות והיעילות של תאים פרובסקיטים תואמת את המודל שהציעו פרופ' כאהן ועמיתיו לפני כמה שנים, שלפיו סדר גבוה מהווה דרישה קריטית. יתר על כן, חומרים פרובסקיטים 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 סולאריים: 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 פרובסקיטים השיגו יעילות של 18%, וסביר להניח כי הם יכולים להגיע ליעילות של למעלה מ-20% (תא הסיליקון הטוב ביותר שיוצר עד כה הגיע ליעילות של 25%). "ישנם עדיין מספר 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 הפרובסקיטים הציתו אצל שני המדענים תקווה, כי אנרגיה סולארית תשתלב בסופו של דבר כחלופה מוצלחת לדלקים מאובנים.
 

מדען ואורח

פרופ' הנרי סניית' הופתע כמו כולם נוכח ההצלחה המהירה של תאים סולאריים העשויים מחומרים פרובסקיטים. "הסתכלנו על מיגוון שלם של חומרים לפני שהתחלנו לעבוד איתם", הוא אומר. "בדרך כלל, אנחנו מרוצים מיעילות התחלתית של 1%, כי היא מוכיחה שלחומר יש מאפיין פוטו-וולטאי. במקרה זה התחלנו עם 6% יעילות, תוך שישה חודשים השגנו 10%, ועתה אנחנו כבר עומדים 16% - כמעט כמו היעילות של סיליקון".
 
פרופ' סניית' ביקר באחרונה בישראל כאורח של מכון ויצמן למדע, והשתתף, מטעם המכון, בכינוס השנתי של החברה הישראלית לכימיה. במהלך ביקורו, שארך יומיים, נפגש עם פרופ' כאהן ופרופ' הודס וקבוצות המחקר שלהם, ועם מדענים נוספים של המכון. פרופ' סניית' ומדעני מכון ויצמן למדע משתפים כעת פעולה בפרויקט הנתמך על-ידי יוזמה של אגודת ידידי המכון באנגליה. הם עובדים על הרחבת טווח אנרגיית האור שקולט החומר. פרופ' סניית' אומר, שהוא מצפה לעבוד עם מדעני המכון, ומעריך במיוחד את המומחיות שלהם בניתוח ובאיפיון תוצאות ניסיוניות. "במכון ויצמן נעשית עבודה יוצאת מן הכלל", הוא אומר.
 
 
 
 

לשיתוף:

 

 

 

 

אינסטגרם