[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 הצליחו לפתח סוג חדש של תא סולארי המסוגל לתקן את עצמו, בדומה למערכות פוטוסינתטיות טבעיות המצויות בצמחים, באמצעות שימוש בננו-צינורות פחמן ודנ"א – גישה שמטרתה להאריך את חיי המדף של המוצר ולהפחית את עלויות הייצור שלו.

"הצלחנו לייצר פוטו-מערכות מלאכותיות  תוך שימוש בננו-חומרים אופטיים בכדי לנצל אנרגיה סולארית ולהמירה לאנרגיה חשמלית," אמר Jong Hyun Choi, פרופסור להנדסה מכאנית באוניברסיטת פרדיו (Purdue, אוניברסיטה ציבורית גדולה במדינת אינדיאנה).

העיצוב של התא החדש מנצל את התכונות החשמליות הייחודיות של מבנים המכונים "ננו-צינורות פחמן חד-דופנות" והשימוש בהם כ- "חוטים מולקולאריים לתאים הקולטים אור", הסביר החוקר הראשי. הוא הוסיף וציין כי למרות שהמחקר נמצא בשלב הבסיסי שלו בלבד, הגישה החדשה מספקת אפשרויות רבות לתעשייה.

תאים פוטו-אלקטרו-כימיים ממירים את אור השמש לחשמל ועושים שימוש באלקטרוליט – נוזל המוליך חשמל – על מנת להעביר אלקטרונים מנקודה אחת לנקודה אחרת וליצור חשמל תוך כדי התהליך. התאים מכילים חומרי-צבע – מולקולות דמויות כלורופיל – המסוגלים לקלוט את אור השמש (כרומופורים, chromophores) ואשר מתפרקים בחלוף הזמן כתוצאה מחשיפתם לאור השמש. "החיסרון המשמעותי של תאים פוטו-אלקטרו-כימיים רגילים טמון בהתפרקות זו," מציין החוקר. הטכנולוגיה החדשנית מתגברת על בעיה זו בדיוק באותה הדרך שעשה זאת הטבע – באמצעות החלפה מתמדת של חומרי-הצבע הפגומים בחדשים. "צורה זו של התחדשות-עצמית מתרחשת בצמחים מדי שעה," מסביר החוקר.

הרעיון המקורי יוכל לאפשר פיתוח סוג חדשני של תא פוטו-אלקטרו-כימי המסוגל להתמיד בפעילותו בניצולת מלאה באופן בלתי מוגבל, כל עוד מוספים לתא כרומופורים חדשים.

ממצאי המחקר פורסמו במצגת שניתנה במהלך הכנס הבינלאומי להנדסה מכאנית שנערך בקנדה והרעיון נחשף גם במאמר שפורסם ברשת באתר של האגודה הבינלאומית לאופטיקה ופוטוניקה )קישורית למאמר(.

ננו-צינורות הפחמן מתפקדים כמצע שעל-גביו מעוגנים סלילי הדנ"א. מולקולת הדנ"א מהונדסת כך שהיא מכילה רצף מוגדר של אבני בניין המכונים נוקליאוטידים, רצף המאפשר לה לזהות ולהיקשר לכרומופורים מוגדרים. "מולקולת הדנ"א מזהה את מולקולות הצבע ואז המערכת מתארגנת באופן עצמאי," מסביר החוקר. 

כאשר מגיע הזמן להחליף את הכרומופורים הפגומים, הדבר ניתן לביצוע באמצעות תהליכים כימיים או באמצעות הוספת סלילי דנ"א חדשים בעלי רצף נוקליאוטידים שונה שיוכל להרחיק החוצה את מולקולות הצבע הפגומות. בשלב הבא ניתן יהיה להוסיף כרומופורים חדשים.

שני גורמים חיוניים על מנת שהטכנולוגיה החדשה תוכל לחקות בהצלחה את מנגנון התיקון-העצמי שבטבע: הכרה מולקולארית ומטא-יציבות (שיווי-משקל עדין) תרמודינמית – כלומר, היכולת של המערכת להתמוסס ולהתארגן מחדש ללא הרף.

המחקר החדש הוא המשכו של מחקר קודם של החוקר Choi שנעשה בשיתוף פעולה עם אוניברסיטת MIT ואוניברסיטת אילינוי. במחקר הקודם המדענים השתמשו בכרומופורים ביולוגיים שנלקחו מחיידקים וממצאי המחקר פורסמו בכתב-העת המדעי Nature Chemistry (ממצאי המחקר הקודם). אולם, השימוש בכרומופורים טבעיים הינו בעייתי, ויש צורך להפיק ולבודד אותם מתוך חיידקים – תהליך שיהיה יקר מדי עבור התעשייה, מוסיף החוקר הראשי. "כך, שבמקום להשתמש בכרומופורים ביולוגיים, פנינו לשימוש בכרומופורים מלאכותיים המורכבים מחומרי-צבע המכונים פורפירינים (התיאור בוויקיפדיה)," מציין החוקר.   

הידיעה על המחקר

הפוסט תאים סולאריים חדשניים המתקנים את עצמם הופיע לראשונה ב-Chiportal.