שליטה על הספין האלקטרוני לשם פיתוח תאים סולאריים

תאים סולאריים אורגניים, משפחה חדשה של תאים סולאריים המחקים את התהליך הטבעי המתבצע בצמחים ירוקים, הפוטוסינתזה, עשויים לחולל מהפכה בתחום של אנרגיה מתחדשת, זאת בתנאי שהם יוכלו להיות תחרותיים יותר מבחינה כלכלית בהשוואה לתאי סיליקון מסחריים המשמשים כיום בשוק זה.

נכון להיום, תאים סולאריים אורגניים יכולים להשיג רמת יעילות של 12% מבחינת המרת קרני שמש לחשמל זמין, זאת בהשוואה לרמת יעילות כפולה של 25-20% בתאים מבוססי סיליקון. כעת, חוקרים גילו כי שליטה בספין של האלקטרונים בתאים אלו משפרת משמעותית את הביצועים שלהם, תוך השגת פריצת דרך חיונית בחתירה לפיתוח טכנולוגיות זולות ויעילות של אנרגיה סולארית. המחקר, שבוצע ע"י מדענים מאוניברסיטאות קיימברידג' ווושינגטון, פורסם בכתב-העת היוקרתי Nature.

תאים סולאריים אורגניים מחקים את תהליך הפוטוסינתזה באמצעות מולקולות גדולות המבוססות על אטומי פחמן ואשר מסוגלות לנצל את אור השמש, וזאת במקום המוליכים למחצה האי-אורגניים המשמשים באופן רגיל בתאים סולאריים מסחריים המבוססים על היסוד סיליקון. התאים האורגניים יכולים להיות דקים, קלי-משקל וגמישים מאוד, וניתנים לפיתוח בעזרת הדפסתם בדיו, באופן דומה להדפסת עיתונים, תהליך המאפשר ייצור מהיר וזול יותר מהתהליכים הקיימים היום בתעשייה.

למרות יתרונות חשובים אלו, לתאים סולאריים אורגניים יש בעיה רצינית – מדענים רבים, עד עתה, אותגרו קשות בכדי להבין מדוע, באופן בלתי-צפוי, חלק מהמולקולות פועלות מעולה, בעוד אחרות הן בעלות ביצועים גרועים במיוחד.

חוקרים מאוניברסיטת קיימברידג פיתחו שיטות מבוססות-לייזר על מנת להתחקות אחר התנועה ויחסי הגומלין שבין האלקטרונים הזורמים בתאים אלו. להפתעתו הרבה, צוות המדענים גילה כי ההבדלים בביצועים בין חומרים שונים יכולים להיות קשורים לתכונה הקוונטית הידועה בשם "ספין" (ספין אלקטרוני). ספין הוא תכונה של חלקיקים הקשורה לתנע הזוויתי שלהם, כאשר אלקטרונים יכולים להיות בעלי שני סוגים של ספין: ספין מעלה וספין מטה. אלקטרונים בתוך התאים הסולאריים יכולים לעבור תהליך של התאחדות (recombination) שבו הם מאבדים את האנרגיה שלהם (המצב המעורר בו הם היו) ו"נופלים" בחזרה למצב חלול המכונה בשם "חור".

החוקרים גילו כי באמצעות סידור הספינים של האלקטרונים בצורה מוגדרת, הם יכולים למנוע את אובדן האנרגיה בעקבות תהליך ההתאחדות ולהגביר על ידי כך את הזרם המתקבל מהתא. "תגלית זו מרגשת מאוד, מאחר ואנו מבינים כעת כיצד לנצל את פיזיקת הספין על מנת לשפר את יעילותם וביצועיהם של תאים סולאריים, תובנה שלא חשבנו בעבר כי היא אפשרית בכלל. אנו מצפים לראות במהרה חומרים ותאים סולאריים חדשים המנצלים את המנגנון החדשני הזה," אמר ד"ר Akshay Rao, החוקר הראשי מאוניברסיטת קיימברידג'. צוות החוקרים סבור כי רעיונות העיצוב שיצמחו ממחקרם זה יוכלו לסייע בסגירת הפער שבין תאים אורגניים לבין תאי סיליקון, ולהביא אותם סוף סוף לייצור מסחרי. בנוסף, חלק מהתובנות החדשות תוכלנה להיות מיושמות בדיודות אורגניות פולטות אור (לדים אורגניים), המהוות היום טכנולוגית תצוגה חדשה הצומחת בקצב מהיר ואשר מאפשרת פיתוח צגים יעילים יותר בטלפונים ומחשבים ניידים וכן במסכי טלוויזיה, צגים כגון משטח גמיש ומתקפל הניתן ללבישה על הזרוע או האצבעות אפילו.
הידיעה על המחקר

{loadposition content-related}