אור וחומר: אינטראקציה מוגברת

חוקרים בטכניון פיתחו שיטה חדשנית להגברת יעילותם של התקנים אלקטרואופטיים כגון פוטואלקטרודות לפירוק מים

חוקרים בטכניון פיתחו שיטה חדשנית להגברת יעילותם של התקנים אלקטרואופטיים, וזאת באמצעות הגברת האינטראקציה בין אור לחומר. כתב העת היוקרתי Advanced Materials מדווח כי השיטה יושמה בהצלחה בייצור תא סולארי פוטואלקטרוכימי המשמש להפקת מימן ממים בעזרת אנרגיית השמש.

את המחקר ערכו הדוקטורנט אסף קיי והפוסט-דוקטורנטית ד"ר ברברה שרר בהנחיית ראש קבוצת המחקר, פרופ' אבנר רוטשילד מהפקולטה למדע והנדסה של חומרים. החוקרים פיתחו שיטה חדשה לייצור מטא-חומרים המגבירים את האינטראקציה בין אור וחומר בשכבות דקות מאוד. חומרים אלה עשויים ממבני-על רב-שכבתיים המשלבים שכבות דקות של מתכות ותחמוצות מוליכות למחצה. כאמור, השיטה יושמה בהצלחה בהפקת מימן ממים.

מימן נחשב לדלק מבטיח כיוון שהשימוש בו אינו מזהם. הוא מיוצר על ידי פירוק מים באמצעות אנרגיית השמש בתהליך הנקרא פוטואלקטרוליזה. בתהליך זה נבלעים פוטונים מהשמש בחומר מוליך-למחצה ומעבירים את האנרגיה שלהם לאלקטרונים בחומר הבולע את הקרינה. אלקטרונים אלה משמשים לפירוק המים למימן וחמצן (H2O à H2 + ½O2). זאת על ידי ניתוק הקשר הכימי בין אטומי המימן (H) והחמצן (O) במולקולת המים (H2O).

הבעיה היא שבתהליכי פוטואלקטרוליזה עלולים האלקטרונים לאבד את האנרגיה שקיבלו מהפוטונים עוד לפני שהספיקו לפרק את המים. תופעה זו, הקרויה רקומבינציה, פוגעת ביעילות ההמרה של אנרגיית השמש למימן. לכן ברור הצורך להגביר את היחס בין קצב הריאקציה האלקטרוכימית המפרקת את המים לקצב הרקומבינציה.

פוטואלקטרוליזה מתבצעת על ידי פוטואלקטרודות הבולעות את האור ומפרקות את המים. אותן פוטואלקטרודות נדרשות לבלוע פוטונים בספקטרום רחב ככל האפשר ולעמוד בתנאי סביבה עוינים בתמיסות קורוזיביות. בנוסף חשוב שיופקו מחומרים זולים, נפוצים ולא רעילים. בשל מורכבותם של אתגרים אלה, במשך שנים רבות לא פותחו פוטואלקטרודות יעילות, יציבות וזולות.

בשנת 2012 הציגו פרופ' רוטשילד וד"ר חן דותן, בכתב העת Nature Materials, פיתוח של פוטואלקטרודות המבוססות על תחמוצת ברזל, המהווה מרכיב מרכזי בחלודה. פוטואלקטרודות אלה, שפעלו על כליאת אור בשכבות דקות, הפגינו יתרונות משמעותיים על אלה הקיימות.

אולם השיטה שפורסמה ב-2012 יצרה אתגרים חדשים, הקשורים בעמידותה של המראה – שכבת החזר-האור הנמצאת מתחת לתחמוצת. שכבה זו עשויה מאלומיניום או מכסף – חומרים הנוטים להתחמצן או להשחיר, בהתאמה, וכך לאבד את יעילותם בהחזרת אור. בטמפרטורות גבוהות, החיוניות בייצור הפוטואלקטרודה, מואצים תהליכים אלה והורסים את אותה שכבה. בעקבות זאת פיתח ד"ר דותן התקן רב-שכבתי ובו שכבות הגנה שונות המונעות התחמצנות והשחרה של המראה. עם זאת, ייצורו של ההתקן היה עד כה מסובך מאוד.

במחקר הנוכחי פיתחו אסף קיי וד"ר ברברה שרר שיטת ייצור חדשנית ההופכת את סדר שיקוע השכבות בהפקת ההתקן. בשיטה זו משוקעת תחמוצת הברזל על גבי פיסת סיליקון לפני שיקוע שכבת המתכת שמעליה – המראה. תהליך זה מונע את חימצון המתכת, שאותה אפשר לשקע ללא נוכחות חמצן ובטמפרטורה נמוכה.

אולם השיטה החדשה יצרה בעיה חדשה: היא מיקמה את המראה מעל תחמוצת הברזל – בניגוד למבנה הנדרש בהתקן. לכן הוסיפו החוקרים שלב נוסף בייצור, שבו הם הופכים את המבנה שנוצר, מדביקים אותו במהופך לפיסת סיליקון נוספת ומסירים את פיסת הסיליקון הראשונה כדי לחשוף את תחמוצת הברזל ששוקעה עליה. (תהליך זה מתואר באיור 2. )

הסרת פיסת הסיליקון הראשונה נעשתה בשילוב תהליכי איכול רטובים ויבשים המשמשים בתהליך הייצור של צ'יפים למיקרואלקטרוניקה. בתהליכים אלו נדרשת זהירות מירבית כדי שתחמוצת הברזל הדקיקה, שעוביה כ-10 ננומטרים בלבד, לא תיפגע. חשוב להימנע גם מסדקים מיקרוסקופיים העלולים להיווצר בתהליך זה. לשם כך פותח בטכניון תהליך ייצור ייחודי שבו נעשה שימוש בשכבות הגנה של סיליקה (SiO2) ואלומינה (Al2O3), כמוצג באיור 2. תהליך זה פותח בעזרת הצוות המקצועי במרכז לננואלקטרוניקה ע"ש שרה ומשה זיסאפל ובמרכז למיקרואלקטרוניקה ע"ש וולפסון בטכניון.

התהליך שפותח הודגם בייצורו של תא סולרי פוטו-אלקטרוכימי לפירוק מים, המבוסס על שכבה דקיקה של תחמוצת ברזל (בעובי של כ-10 ננומטרים) על גבי מראה יציבה מסגסוגת כסף וזהב. מעבר לדוגמה ספציפית זו, שהוצגה במאמר המתפרסם ב-Advanced Materials, התהליך החדש מהווה פריצת דרך בייצור ופיתוח מטא-חומרים המשלבים שכבות מתכת, תחמוצות מוליכות למחצה וחומרים מבודדים ליצירת התקנים אלקטרואופטיים ומבנים ננופוטוניים חדשניים.

המחקר שהוביל לפריצת הדרך הנוכחית נערך בהדרכתו של פרופ' אבנר רוטשילד מהפקולטה למדע והנדסה של חומרים בטכניון במימון קרן המחקר היוקרתית(ERC) של האיחוד האירופי במסגרת תכנית FP7. החוקרים מודים לקרנות המחקר שמימנו את העבודה: ERC וקרן מארי קירי (שמימנה את העסקתם של הפוסט-דוקטורנטים ד"ר ברברה שרר וד"ר דניאל גרבה), המרכז לננואלקטרוניקה ע"ש שרה ומשה זיסאפל והמרכז למיקרואלקטרוניקה ע"ש וולפסון, שם התבצעו התהליכים העיקריים בפיתוח שיטת הייצור החדשה.

למאמר המלא לחצו כאן