[תרגום מאת ד”ר משה נחמני]

צורן גבישי מתפקד בתור מוליך למחצה הכולל בתוכו פער פסים (bandgap) בלתי-ישיר, שמשמעו שהפוטון נע למרחק נוסף טרם היבלעו לכדי יצירת צמד אלקטרון-חור, זאת בחומרים ידועים, למשל, גאליום ארסניד או פֵּרוֹבְסְקִיטִ (perovskite). חוקרים רבים טוענים כי מבנים אלו אינם מתאימים ליצירת תאים סולאריים גמישים או כפופים. למרות זאת, חוקרים מהאוניברסיטה הלאומית של אוסטרליה בקנברה טוענים כי טיעון זה שגוי, וכי צורן דקיק עשוי ליצור תאים גמישים או כפופים הן על ידי ריווח יחידות התאים שבתוך תשתית גמישה או על ידי יצירת פערים במבנה. חוקרים ממכון שנגחאי למיקרו-מערכות וטכנולוגיות מידע, מהאקדמיה למדעים בסין, התחילו מפרוסות בעובי של 160 מיקרומטרים, תוך שימוש בתמיסה בסיסית מרוכזת על מנת לאכל את הפרוסה לכדי קבלת פרוסות בעוביים משתנים. פרוסה חלקה בעובי של 60 מיקרומטרים הייתה גמישה כמו פיסת נייר. למרבה הצער, לאור האופי המבריק של המשטח, הוא גם מחזיר כשלושים אחוזים מהאור המגיע אליו. לפיכך, החוקרים השתמשו בתמיסה בסיסית דלילה על מנת ליצור מבנים זעירים של פירמידות על פני השטח החיצוני. מבנים אלו מפחיתים באופן משמעותי את כושר ההחזרה, אולם גם מגבירים את השבריריות של החומר. “לאורך זמן רב, אנשים התקשו באיזון שבין כושר ההחזרה של האור אל מול הגמישות, מה שמסביר מדוע רוב אחוזי היעילות של תאים סולאריים המבוססים על צורן גבישי גמיש היו די נמוכים”, מסביר אחד מהחוקרים. 

באמצעות מצלמת וידאו סופר מהירה, החוקרים מצאו כי הסדקים מתחילים להיווצר תמיד בקצוות. לכן, החוקרים הסירו את המבנים שבקצוות על ידי טבילתם בתערובת חומצות. בעקבות כך, הפרוסות החזירו לעצמן את הגמישות. החוקרים מצאו כי האזורים החלקים פיזרו את הלחץ (stress), מה שאפשר לאזורים המחוספסים ליצור רשת של מיקרו-סדקים במקום שברים בדידים בנקודה מוגדרת. תאים סולאריים שנוצרו מפרוסות אלו הדגימו יעילות סולארית של למעלה מעשרים וארבעה אחוזים מאלו הקיימים כיום, תוך שימור יעילות זו גם לאחר בדיקות לחץ שונות. “זה היה ברור מאליו לחלוטין שהחריצים במבנה המשטח של פרוסת הצורן היוו חשש רב ומאמר זה הדגים זאת היטב והראה כי אם נפטרים מהמבנה המחוספס והקצוות אזי קצב השבירה פוחת משמעותית”, אמר אחד מהמומחים בתחום.

מסבירה אחת מהחוקרות מהולנד: “הולנד היא מדינה מאוכלסת מאוד, ועלינו לנצל את התשתיות והמבנים שכבר קיימים במדינה עבור ניצול של אנרגיה סולארית. אמת היא שהשוק עבור תאים גמישים הוא קטן כרגע, אולם נעשים מאמצים רבים באירופה ובאסיה להגדיל את השוק הזה”. היא מוסיפה ואומרת כי היא סבורה “שהכותבים של המאמר לא השקיעו מספיק בכדי להסביר כמה מנגנון זה חשוב”, תוך שהיא מציינת שהגברת הגמישות של התאים תוכל להפחית את הצורך בכימוסם (encapsulate) בזכוכית כבדה, ובכך תאפשר התקנתן של יריעות סולאריות גמישות באופן בטוח על גבי גגות וחלונות בבניינים.  

המאמר המתאר את המחקר

הפוסט תאים סולאריים גמישים מסיליקון הופיע לראשונה ב-Chiportal.

חוקרים מהטכניון ומאוניברסיטת בן-גוריון מציגים ממצאים חדשים הנוגעים להמרת אנרגיה סולרית לחשמל ולדלק מימן. במסגרת המחקר שהתפרסם ב- Nature Materials פותחה שיטה חדשנית למדידת יעילות ההמרה של פוטונים למטענים חשמליים ניידים (אלקטרונים וחורים) במוליכים למחצה. בשיטה זו הם גילו גורם לא מוכר המגביל את יעילות ההמרה של פוטונים לזרם חשמלי בתחמוצת ברזל (המטייט). הגורם שהתגלה צפוי להשפיע על יעילותם של חומרים נוספים, בפרט בחומרים בעלי אלקטרונים מקושרים (electron correlated materials), שיש בהם אינטראקציה חזקה בין האלקטרונים לאטומים בגביש. השיטה שפותחה צפויה להניב ידע חדש על האינטראקציה בין אור לחומר בחומרים אלה ולסייע בפיתוח חומרים חדשים לתאים סולריים בעלי מאפיינים ייחודיים.

רקע:

יתרונותיה של האנרגיה הסולרית – אנרגיה שמקורה בשמש – ידועים כבר שנים, והניסיון לרתום אותה לצורכי האדם הוביל לפיתוחים רבים ובהם תאים סולריים פוטו-וולטאיים. התקנים אלה קולטים את חלקיקי האור (פוטונים) בחומר מוליך-למחצה, ואלה מוסרים את האנרגיה שלהם למטענים חשמליים ניידים המוכרים כאלקטרונים וחורים ומקנים להם מתח חשמלי המאפשר להם לבצע עבודה (אנרגיה חופשית). עבודה זו באה לידי ביטוי כאנרגיה חשמלית בתאים פוטו-וולטאיים, ובאופן עקרוני תאים שכאלו עשויים לספק את כל צורכי האנרגיה שלנו.

הקושי העיקרי במעבר לאנרגיה סולרית בת קיימה נובע מהזמינות המשתנה של אור השמש לאורך שעות היממה והתלות של אור זה בעננות ובאובך. תפוקת החשמל של תא פוטו-וולטאי נגזרת מעוצמת האור הפוגע בו, ולכן היא משתנה משעה לשעה, מעונה לעונה, ובימים רבים בשנה היא מוגבלת על ידי עננים ואובך. כדי שיהיה אפשר להסתמך על אנרגיה סולרית כמקור אנרגיה מרכזי היכול לספק את הדרישות לחשמל, חום, דלק וצרכים אחרים בכל שעות היממה ובכל עונות השנה יש צורך בהמרתה לאנרגיה הניתנת לאחסון (אגירה) והמרה מחדש לחשמל, חום ודלק בהתאם לדרישה. כך, למשל, אפשר לאגור את החשמל המופק בתאים סולריים פוטו-וולטאיים בסוללות (בטריות) נטענות, ולהמירו בחזרה לחשמל בשעת הצורך. אגירה בסוללות מייקרת את עלות החשמל הסולרי ומתאימה לשימוש בטווח של יממה לכל היותר. אגירה ארוכת טווח, למשל מעונה לעונה, דורשת פתרונות טכנולוגיים אחרים, וכך גם צורכי אנרגיה נוספים, מלבד הפקת חשמל, כגון חימום ביתי ותעשייתי, דלק לתחבורה ועוד.

פתרון שכזה ניתן למימוש באמצעות תאים פוטו-אלקטרוכימיים הפועלים באופן דומה לתאים פוטו-וולטאיים, אך במקום חשמל הם מייצרים מימן על ידי פיצול מולקולות מים לשני מרכיביהם – חמצן ומימן. אלה נאגרים לשימוש עתידי, בין אם לייצור חשמל ובין אם להנעת כלי רכב חשמליים המונעים במימן באמצעות תא דלק המחליף את מערך הסוללות בכלי רכב חשמליים כדוגמת טסלה ואחרים. מימן הנוצר באופן זה מכונה מימן "ירוק" והוא מהווה תחליף אידאלי לדלק פחמימני שכן הפקתו והשימוש בו אינם מלווים בפליטת גזי חממה או כל דבר אחר מלבד מים זכים.

תאים פוטו-אלקטרוכימיים להמרת אנרגיה סולרית למימן "ירוק" מעסיקים קבוצות רבות של מחקר ופיתוח באקדמיה, אולם טכנולוגיות אלה עדיין לא הבשילו ליישום. זאת בעיקר בשל מגבלות החומרים היכולים לשמש בהם. בדומה לתאים הפוטו-וולטאיים, גם כאן לב ליבו של התא עשוי מחומר מוליך-למחצה הקולט את הפוטונים וממיר את האנרגיה שלהם (אנרגיה של קרינה) לעבודה, אלא שכאן העבודה מתבטאת באנרגיה כימית האצורה בקשרים הכימיים של מולקולות המימן והחמצן הנוצרות מפיצול מולקולות המים. לשם כך, המוליך-למחצה טבול באלקטרוליט מימי בעל תכונות קורוזיביות שלא מאפשרות שימוש במוליכים למחצה רגילים כמו הסיליקון המשמש בתאים פוטו-וולטאיים. מגבלות אלה ואחרות מצריכות מוליכים-למחצה אחרים בעלי מאפיינים ייחודיים שאינם בנמצא ברגיל.

ממצאי המחקר וחשיבותם:

מזה למעלה מעשור, פרופ' אבנר רוטשילד וקבוצת המחקר שלו בטכניון חוקרים מינרל הנקרא המטייט (hematite) והוא סוג של תחמוצת ברזל בעלת הרכב כימי דומה לחלודה, בעל קשת המאפיינים הדרושים לתא פוטו-אלקטרוכימי לפיצול מים למימן וחמצן. מחקר זה הוביל לפריצות דרך מדעיות וטכנולוגיות שפורסמו בכתבי עת מדעיים מובילים מקבוצת Nature ואחרים. למרות השיפורים שהושגו בתכונות החומר ומבנה התא הפוטו-אלקטרוכימי, יעילות ההמרה של פוטונים לזרם חשמלי בהתקנים מבוססי המטייט מגיעה לפחות ממחצית הגבול התיאורטי לחומר זה. לשם השוואה, תאים פוטו-וולטאיים מסיליקון מגיעים קרוב ל- 100% מהגבול התיאורטי של סיליקון.

לאחר שנים של מחקר שבו הפכו החוקרים כל אבן בדרך לשיפור תכונות החומר ומבנה התא, הם הגיעו למסקנה שרב הנסתר על הגלוי וחייב להיות גורם נעלם ייחודי להמטייט שמונע הגעה לגבול התיאורטי המוכר לחומר זה. במחקרם האחרון, שפורסם זה עתה בכתב העת המדעי Nature Materials, הם חושפים ומגלים את הגורם הנעלם הזה, ומציעים שיטה חדשה לאיפיונו בהמטייט ובחומרים אחרים. בניגוד לסיליקון ומוליכים למחצה אחרים המשמשים בתאים סולריים והתקנים אופטו-אלקטרוניים אחרים, בהם הפוטונים הנבלעים בחומר מייצרים מטענים חשמליים ניידים (אלקטרונים וחורים) היכולים לנוע בחופשיות וליצור זרם חשמלי, חלק ניכר מהפוטונים המגיעים להמטייט נבלעים באופן שונה באמצעות מעברים אלקטרוניים מקומיים בהם האלקטרון עובר ממצב אנרגטי (הנקרא אורביטל) אחד לאחר באותו האטום עצמו או בקשר הכימי בין שני אטומים שכנים. מאחר שאלקטרון שכזה נשאר ממוקם באתר ספציפי בגביש, אין לו יכולת תנועה (ניידות) ולכן אין הוא יכול לתרום ליצירת זרם חשמלי. לכן, הפוטונים הנבלעים באופן זה "מתבזבזים" ואינם תורמים ליצירת זרם חשמלי (בתא פוטו-וולטאי) או מימן (בתא פוטו-אלקטרוכימי).

בשל תכונות כימיות ופיזיקליות ייחודיות המתבטאות, בין השאר, באינטראקציה חזקה בין האלקטרונים לאטומים בגביש, חלק ניכר (כמחצית) מהפוטונים הנבלעים בהמטייט יוצרים מעברים אלקטרוניים מקומיים מסוג זה. תכונה זו אופיינה לראשונה במחקר הנוכחי כתלות באורך הגל של הפוטונים הפוגעים בחומר, בהמטייט ובכמה תחמוצות מוליכות למחצה אחרות שבהן התופעה נמצאה שולית בהשוואה להמטייט. עם זאת, החוקרים מציינים כי מדובר בתופעה לא מוכרת ולכן קרוב לוודאי שהיא קיימת גם במוליכים למחצה אחרים. עצם חשיפת התופעה והתוויית דרכים לאיפיונה מהווה פריצת דרך מדעית בחקר האינטראקציה בין אור לחומר בחומרים בעלי אלקטרונים מקושרים (correlated electron materials), ויש לה חשיבות מעשית בחקר חומרים חדשים לתאים סולריים בעלי מאפיינים ייחודיים כדוגמת התאים הפוטו-אלקטרוכימיים לפיצול מים למימן וחמצן, נושא המחקר הנוכחי.

את המאמר שהתפרסם בכתב העת היוקרתי Nature Materials הובילו חוקרים מקבוצת המחקר של פרופ' אבנר רוטשילד מהפקולטה למדע והנדסה של חומרים בטכניון, ובהם ד"ר דניאל גרוה (מדען בכיר במחלקה להנדסת חומרים באוניברסיטת בן-גוריון בנגב), ד"ר דויד אליס והדוקטורנטית יפעת פיקנר מתוכנית האנרגיה ע"ש גרנד בטכניון (GTEP), בשיתוף חוקרים מהמכון לחקר דלקים סולריים בראשותו של Prof. Roel van de Krol ב- Helmholtz-Zentrum Berlin. במחקר תמכו מוקד המחקר בנושא פוטוקטליזטורים ופוטואלקטרודות לייצור מימן בתכנית לתחליפי נפט לתחבורה של הקרן הלאומית למדע (ISF), מרכז האנרגיה ע"ש גרנד בטכניון (GTEP) ומכון ראסל ברי למחקר בננוטכנולוגיה (RBNI).

למאמר ב- Nature Materials

הפוסט מה מגביל את היעילות האנרגטית של תאים סולריים מסוג חדש? חוקרים בטכניון ובאוניברסיטת בן-גוריון גילו את הסיבה הופיע לראשונה ב-Chiportal.

שתי קבוצות מתמודדות על קבלת הזיכיון להקמתו והפעלתו של המרכז הטכנולוגי לאנרגיות מתחדשות בנגב או בערבה. התקציב הממשלתי שהוקצב למרכז הטכנולוגי עומד על 57 מיליון שקלים ל- 5 שנים והגופים הזכיין שיזכה צפוי להשקיע סכום זהה לפחות במרכז כך שסך תקציבו יעמוד על לפחות 114 מיליון ₪.

שתי הקבוצות מורכבות מגורמים מובילים מהארץ ומהעולם בתחומי האנרגיות המתחדשות, כולל גופי השקעה, מוסדות אקדמיים וחברות רב לאומיות.

אחת הקבוצות נקראת "מרכז טכנולוגי לאנרגיה מתחדשת בערבה בע"מ" והיא מורכבת מחברת אורמת, אלביט מערכות, רפאל, קרן ההשקעות פרו-סיד, קבוצת ביטוח ישיר, קונסנזוס ביזנס גרופ, מינהלת האנרגיה המתחדשת של אילת-אילות, אוניברסיטת בן גוריון, מכון ערבה, משרד עו"ד שבלת, מודולה ונגב שלי.

קבוצה נוספת נקראת "נשיונל רניואבל אנרג'י סנטר בע"מ" והיא מורכבת מחברת Global Pace (ארה"ב), חברת Ridge Global (ארה"ב), אויברסיטת בר אילן, אוניברסיטת נוטרה דם (ארה"ב), היזם שי ביליס, חברת דלקאויל, קבוצת ברן, החברה הכלכלית של שדרות, Myran Ausch, עמי רודיך, Juelich Institute (גרמניה) ו- Lahmayer(גרמניה).
המרכז יעודד יזמות טכנולוגית בתחום פיתוח טכנולוגיות לייצור חשמל באמצעות אנרגיה מתחדשת, על ידי יצירת מערך סיוע שיאפשר ליזמים טכנולוגיים בראשית דרכם לפתח את המיזם, משלב המחקר והפיתוח ועד לשלב הוכחת ההיתכנות בשטחי ניסוי ותוך שיתוף פעולה בין מוסדות אקדמיה, מכוני מחקר והתעשייה.

לדברי שר התמ"ת, בנימין (פואד) בן אליעזר, "המרכז הטכנולוגי הינו חלק מהפעילות האסטרטגית של הממשלה לחיזוק הנגב והערבה תוך ניצול התנאים הייחודיים הקיימים באזורים אלו המאפשרים מו"פ מתקדם בתחומי האנרגיות המתחדשות. משרד התמ"ת רואה חשיבות רבה ביצירת כלים חדשים להגדלת היקפו ושיפור איכותו של המחקר והפיתוח בישראל. ההתעניינות של חברות מובילות בתחומן במכרז להקמה והפעלה של המרכז הטכנולוגי מוכיחה את האטרקטיביות של ישראל כמובילה בתחום האנרגיות המתחדשות".

המדען הראשי במשרד התמ"ת, ד"ר אלי אופר, ציין כי "הקמת המרכז הטכנולוגי מהווה נדבך חשוב בפעילות לשכת המדען הראשי למיצובה של ישראל כמובילה עולמית בפיתוח טכנולוגיות לצרכים העולמיים בתחומי האנרגיות המתחדשות והמים". לדבריו, "במסגרת זו, צפוי לצאת בחודשים הקרובים קול קורא נוסף להפעלתו של מרכז טכנולוגי לפיתוח טכנולוגיות מים, אשר יקום בשדה בוקר. למרכז הטכנולוגי למים הוקצה תקציב ממשלתי של 35 מיליון ₪ ל- 5 שנים".

לשכת המדען הראשי תוכניות תמיכה נוספות לקידום פיתוחן של טכנולוגיות "ירוקות" בישראל. בין אלה ניתן למנות את תכנית החממות הטכנולוגיות ותכנית תנופה, אשר מסייעות ליזמים טכנולוגיים בתחילת דרכם, תכנית מגנ"ט התומכת ומעודדת מעבר ידע מהאקדמיה ליישומים תעשייתיים ומסחריים וקרן המו"פ המשתתפת בסיכון שחברות לוקחות על עצמן בעת כניסה לפיתוח טכנולוגית ומוצרים חדשים.

הפוסט שתי קבוצות מתמודדות על זיכיון להקמת מרכז אנרגיות מתחדשות בדרום הופיע לראשונה ב-Chiportal.

חברת UMC (United Microelectronics Corporation) הטיוואנית, יצרנית המוליכים למחצה השנייה בגודלה בטייוואן ואחת מהגדולות בעולם, תגיע השבוע הבא לישראל על מנת לבחון טכנולוגיות והשקעות בתחום הסולארי בישראל- כך מסר הנספח המסחרי של משרד התמ"ת בטייפה אופיר גור .

הביקור נערך בעקבות הזמנה שהעבירה סגנית שר התמ"ת, אורית נוקד, לראשי החברה, במהלך ביקור רשמי שקיימה במטה החברה בחודש נובמבר האחרון. ביקור חברת UMC בישראל מתואם ומאורגן ע"י, המינהל לסחר חוץ במשרד  התמ"ת,  הנספח המסחרי בטיוואן ומכון היצוא.

חברת UMC החליטה בשנה האחרונה להרחיב את הפורטפוליו העסקי שלה, ולהתמקד בתחום האנרגיות המתחדשות בכלל, ואנרגיה סולארית המבוססת על PV בפרט. לצורך כך הקימה החברה מספר חברות בת, אחת מהן הינה Next Power, יצרנית של פאנלים סולאריים. חברת בת נוספת הינה Energy EverRich, שמתמחה בהקמת פרויקטים סולאריים בסין.

חברת UMC בעלת מחזור שנתי של מיליארדי דולרים, 10 מפעלי ייצור ומעל 12,000 עובדים ברחבי העולם.

הנספח המסחרי של משרד התמ"ת בטייוואן-טייפה אופיר גור מציין כי לישראל יגיעו שני נציגים בכירים מחברת UMC, נציגי החברה יתמקדו בחיפוש טכנולוגיות ישראליות ושיתופי פעולה עם חברות ישראליות בתחום האנרגיה הסולארית המבוססת על תאים פוטו-וולטאיים (PV). כמו כן ינסו נציגי החברה לאתר טכנולוגיות ישראליות לפרויקטים הסולאריים שמנהלת חברת הבת, EverRich Energy בסין, וגם לבחון שיתופי פעולה עם חברות ישראליות בשווקים נוספים ופעילות עתידית בשוק הישראלי.

גור מדגיש עוד כי מדובר בהזדמנות אמיתית לשיתופי פעולה בין חברות טכנולוגיה ישראלית לבין חברת ענק כמו UMC, בעלת יכולות ייצור מרשימות ופרויקטים משמעותיים בכל רחבי העולם, בדגש על סין. "חברת UMC הבינה בשלב מוקדם את הערך המוסף שיעניקו לה טכנולוגיות ישראליות בתחום האנרגיה הסולארית, בו החליטה להתמקד לאחרונה".    

במהלך הביקור ייפגשו נציגי החברה עם כ- 15 חברות ישראליות, בין היתר עם חברת זניט' סולאר, ערבה פאואר, סולאריס אנרג'י, מטרולייט, סאנדיי אנרג'י ועוד.

נתוני סחר –  ב- 11 החודשים הראשונים של 2009 הסתכם היצוא מישראל לטייוואן ב- 413 מיליוני דולרים, ירידה של 5% לעומת התקופה המקבילה בשנת 2008. היבוא מטייוואן הסתכם  ב- 490 מיליוני דולרים ב- 11 החודשים הראשונים של 2009, ירידה של  35% לעומת התקופה המקבילה בשנת 2008.

הפוסט משלחת מחברת UMC הטיוואנית מגיעה לישראל על מנת לבחון השקעות בטכנולוגיות סולאריות ישראליות הופיע לראשונה ב-Chiportal.