פיתוח של מכון ויצמן: צבע סולארי במקום פאנלים

אומר פרופ' דויד כאהן מהמחלקה לחומרים ופני שטח שבפקולטה לכימיה במכון ויצמן למדע המפתח שיטה להוזיל את עלות האנרגיה הסולארית

מצד אחד, כידוע, השמש היא מקור אנרגיה אדיר. מצד שני, השימוש במשאב הזה אינו נפוץ. מדוע? התשובה לשאלה זו קשורה בעובדה הידועה שבחיים אין דבר מושלם, ואין ארוחות חינם. הטכנולוגיות הקשורות בניצול אנרגיה סולארית הן עדיין יקרות, ואינן מסוגלות להמיר את אנרגיית השמש לחשמל ביעילות מספקת, שתהפוך אותה לכדאית מבחינה כלכלית לרוב השימושים. על בסיס חוקי הפיסיקה, יעילותו של תא סולארי בודד המוצלח ביותר אינה יכולה לעלות על 31% (בהמרת אנרגיית השמש לאנרגיה חשמלית), והיעילות המושגת בפועל קטנה עוד יותר. מדוע אם כן כדאי להשקיע בתאים סולאריים שיעילותם נמוכה כל כך? התשובה הפשוטה לכך היא, שההשקעה משתלמת אם התאים זולים מספיק. "הרעיון הוא להבין את המגבלות, וגם את היכולות של כל אחד מסוגי התאים הסולאריים, ולזהות נישה ייחודית המתאימה לכל אחד מהם", אומר פרופ' כאהן.

לפני מחצית המאה זיהו ויליאם שוקלי והנס קווייסר שלוש מגבלות בסיסיות, שחלות על כל תא סולארי ומביאות ליעילות מקסימלית: קליטת האור שלהם מוגבלת לטווח קטן מהספקטרום המלא של אור השמש; חלק גדול מהאור הנקלט בתא מתבזבז בצורת חום; ובנוסף, חלק מהזרם החשמלי שנוצר בתא הולך לאיבוד עוד לפני שניתן להשתמש בו. שלוש המגבלות האלה, שקיבלו את השם SQ על-שם ראשי התיבות של שני מגדיריהן, נחשבו עד היום לגורמים היחידים המגבילים את יעילותם של התאים הסולאריים. אבל מה בנוגע לדור החדש יותר של תאים סולאריים, אשר עשויים מחומרים מולקולריים – כמו פולימרים אורגניים – במקום מחומר גבישי אי-אורגני, כמו סיליקון? בניסויי מעבדה, יעילותם של תאים אלה משתווה בקושי לזו של התאים הפחות יעילים שמצויים כיום בשימוש מסחרי, ולרוב אף נופלת מהם. האם הסיבה לכך היא קשיים בפיתוח, או אולי קיימים גורמים מגבילים נוספים, מלבד אלה שהוגדרו על ידי קווייסר ושוקלי, שיש להביא בחשבון?

כדי לנסות לגלות את התשובה לשאלה הזו, פרופ' דויד כאהן, יחד עם החוקר הבתר-דוקטוריאלי פבריטה נייק (ממכון טאטא למחקר בסיסי בהודו), ובעזרת פרופ' חואן ביסקרט מספרד, הישוו וניתחו סוגים שונים של תאים סולאריים, כשהם מתייחסים למיגוון רחב של קריטריונים. ממצאיהם, שהתפרסמו באחרונה בכתב העת המדעי Advanced Materials, מראים כי אכן קיימים גורמים מגבילים נוספים על אלה שהגדירו קווייסר ושוקלי – לפחות עבור תאים סולאריים העשויים מחומרים אורגניים – אשר עשויים להסביר את איבודי האנרגיה הגדולים.
תא סולארי טיפוסי מהדור הישן עשוי משתי שכבות של מוליך למחצה אי-אורגני – במרבית המקרים משמש לכך סיליקון. אחת משתי השכבות עשירה באלקטרונים, ואילו בשנייה יש מחסור באלקטרונים. כאשר מניחים את השכבות זו על גבי זו נוצר שדה חשמלי. כאשר פוגעות במוליך למחצה קרני אור, אשר נושאות כמות אנרגיה מספקת כדי לשחרר את האלקטרונים מקשריהם, נוצר זרם חשמלי. השדה החשמלי פועל כעת כשער חד-כיווני, והאלקטרונים החופשיים נעים דרך תיל המחבר את שתי השכבות – כך נוצר זרם חשמל.
הבעיה היא, שלא כל האור הפוגע בתא אכן מנוצל: האור נפרד בהתאם לרמות האנרגיה של אורכי הגל השונים המרכיבים אותו (כפי שאפשר לראות – לגבי אורכי הגל הנראים – בצבעים של הקשת בענן). רק חלק מסוים מתוך האנרגיה הזאת – שכמותו המדויקת מוכתבת על-ידי תכונות החומר – נחוצה לשחרור האלקטרונים. אם קרני האור הפוגעות בחומר אינן נושאות כמות מספקת של אנרגיה, הן יעברו דרך התא ולא ינוצלו. לעומת זאת, אם האור נושא כמות אנרגיה גדולה מהנדרש, האנרגיה העודפת תתבזבז בצורת חום. בנוסף לכך, אנרגיה פוטנציאלית עשויה אף היא ללכת לאיבוד כאשר אלקטרון משוחרר חוזר למצבו הקודם, הקשור, לפני שהוא מספיק "לברוח" דרך התיל.

כאשר מדברים על הדור החדש של קולטים, העשויים מחומרים אורגניים מולקולריים, יש להתחשב בגורמים נוספים, המוכתבים על-ידי התכונות הכימיות והפיסיקליות של חומרים אלה. פרופ' כאהן סבור, כי עובדה זו עשויה להסביר את יעילותם הנמוכה. המבנה של חומרים אורגניים, לדוגמה, הוא מסודר פחות. נדרשת כמות גדולה יותר של אנרגיה לצורך שחרור האלקטרונים כדי ליצור זרם חשמלי. כאשר אלקטרון משתחרר, בעקבות אינטראקציה של אור עם החומר האורגני, חלק מהאנרגיה הולך לאיבוד בצורה של תנודות בקשר הכימי. בנוסף, הקישור הכימי החלש בין מולקולות אורגניות (בהשוואה לקשר בין אטומים בחומרים אי-אורגניים לא-מולקולרים) מוביל לתנועה מופחתת של אלקטרונים דרך המוליך למחצה, דבר אשר גורם לחלק מהאלקטרונים המשוחררים לאבד את האנרגיה שלהם. אמנם שני המנגנונים האלה, בהם מתבזבזת אנרגיה, משותפים לכל התאים הסולאריים, אך הם קטנים ואף זניחים בתאים הסולאריים האי-אורגניים.

ובכל זאת, פרופ' כאהן אינו ממהר לוותר על חלום התאים הסולאריים הזולים והיעילים, אורגניים ואי-אורגניים. "במקום להשקיע זמן ומאמץ בניסיון להגיע ליעילות בלתי ריאלית, עלינו להבין את מגבלות של כל תא ותא, לפתח ציפיות סבירות יותר לגבי יכולותיהם, ולעשות בהם שימוש מתאים יותר", הוא אומר. "לדוגמה, תאים מולקולריים יכולים להיות מושלמים כצבעים סולאריים, למרות יעילותם הנמוכה, ויהיו זולים הרבה יותר לייצור מתאים סולאריים עשויים מסיליקון, שאינם מתאימים לשימוש הזה. הם גם יכולים להתאים לניצול חלקים מסוימים של הספקטרום – כלומר לאורכי גל ספציפיים שקשה לנצל באמצעים אחרים".

ממצאי המחקר עשויים להיות שימושיים גם לצורך המרה של אנרגיה סולארית לאנרגיה כימית, ולכן סבור פרופ' כאהן כי המחקר עשוי להיות רלבנטי למערכות פוטוסינתטיות מלאכותיות. "תאים סולאריים הם מעין 'גרסת בטא' המאפשרת ללמוד על חלק חשוב של הפוטוסינתזה המלאכותית. השגת תובנות שיאפשרו התקדמות לקראת פיתוח מערכות פוטוסינתטיות מלאכותיות וצבעים סולאריים, תקדם אותנו להרכבת התצרף של מקורות האנרגיה העתידיים שלנו".