Quantum Dots עשויים לשנות את פני תעשיית האנרגיה הסולארית
25 דצמבר, 2011
היעילות הנמוכה של תאים פוטו-וולטאיים נראית כהכרח תיאורטי. אולם תגליות חדשות בתחום הפיסיקה הננומטרית מראות שניתן להתגבר על כמחצית מההפסדים בעת המרת אנרגיית שמש לחשמל, באמצעות "גרעינים קוונטיים": מבנים זעירים בגודל של 5-10 ננומטר
גישה חדשה אל ייצור התאים הסולאריים עשויה לספק פתרון אנרגטי מפתיע
אחת מהבעיות המרכזיות עימה מתמודדת כיום תעשיית האנרגיה הסולארית נעוצה ביעילות הנמוכה של התאים הפוטו-וולטאיים (PV Cells). היעילות של תא פוטו-וולטאי היא היחס בין עוצמת אנרגיית השמש המגיע למשטח הסולארי לבין האנרגיה החשמלית המופקת ממנו. כיום, רוב התאים הם בעלי יעילות של 7%-17% בלבד. ליעילות הנמוכה הזו השפעה ישירה על מחירה של אנרגיית החשמל המופקת מהשמש.
קיימות מספר סיבות מדוע היעילות של הטכנולוגיה הפוטו-וולטאית מוגבלת. הטכנולוגיה מבוססת על התופעה הפוטו-אלקטרית שהוסברה על-ידי אלברט איינשטיין כבר בשנת 1905. איינשטיין הסביר שכדי לשחרר אלקטרון מהקשר החשמלי שלו אל גרעין האטום, הוא צריך לקבל אנרגיה במנה קבועה. בחומר חצי-מוליך (סמיקונדקטור), האלקטרון המשתחרר ממלא מקום שבו קיים אלקטרון חסר ("חור"), והמעבר יוצר זרם חשמלי.
בזבוז בלתי-נמנע
הבעיה היא שכאשר פוטון פוגע במשטח הסולארי הוא לא תמיד נושא אנרגיה במנה הדרושה לשחרור אלקטרון. כאשר מנת האנרגיה גבוהה מדי או נמוכה מדי, האלקטרון לא משתחרר ולא נוצר זרם חשמלי. משרד האנרגיה האמריקאי דיווח שבממוצע 25% מהפוטונים הפוגעים בתאים סולאריים אינם מגיעים לרמת האנרגיה הדרושה, וכ-30% מהם בעלי אנרגיה גבוהה ממנת האנרגיה (Bandgap) המאפיינת את החומרים מהם מייצרים תאים סולאריים. כלומר, היעילות התיאורטית המקסימלית יכולה להגיע לכ-50% בלבד.
אולם בפועל היא נמוכה יותר. לעתים המטענים החשמליים (אלקטרונים וחורים) מתמזגים לפני שהם מייצרים זר חשמלי במעגל, הזרם הנוצר בתא צריך להתגבר על ההתנגדות החשמלית של התא הסולארי, היעילות של התאים יורדת עם העלייה בטמפרטורה שלהם וחלק גדול מהאנרגיה הולך לאיבוד עקב תופעת ההחזרה (Reflection). במקרים רבים, משטחי הסיליקון מאבדים עד 30% מאנרגיית השמש עקב החזרת האור לאטמוספירה.
מפצחים גרעינים קוונטיים
האם היעילות הנמוכה של הטכנולוגיה הפוטו-וולטאית היא בלתי נמנעת? בשנים האחרונות מגבשים מדענים (במימון מאסיבי של הקרן הלאומית למדע – NSF – בארצות הברית) פיתרון חדש שעשוי לספק מוצא ממלכודת התאים הוטו-וולטאיים.
הכוונה היא לפתח חומרים חדשים לקליטת אנרגיית השמש, אשר פני השטח החיצוניים שלהם מבוססים על "גרעינים קוואנטיים".
גרעין קוואנטי (Quantum Dot) הינו צומת חצי-מוליך זעיר שבו האקסיטון (הצמד "חור" ואלקטרון, שעל יחסי הגומלין ביניהם מבוססים כל חצאי המוליכים) מוגבל משלושה כיוונים. למעשה מדובר בצומת בגודל של טיפת חומר זעירה (5-10 ננומטרים). ייחודו של הגרעין הקוונטי נעוץ בכך שניתן לייצר אותו בטכניקות ייצור של חצאי-מוליכים תוך כדי שליטה מלאה ומדוייקת על רמות האנרגיה הנחוצות כדי לשחרר ממנו אלקטרון. פירוש הדבר שניתן לייצר גרעין קוונטי הפולט אלקטרון ברוב התדרים האלקטרו-מגנטיים, לפי הצורך.
התכונה הזו הופכת את הגרעין הקוונטי לטכנולוגיה אטרקטיבית המאפשרת לשפר את היעילות של תאים פוטו-וולטאיים להפקת אנרגיית חשמל מהשמש. מחקר שבוצע לאחרונה באוניברסיטת קולורדו (Colorado School of Mines) הראה שציפוי שכבת הסיליקון בתאים סולאריים בגרעינים קוואנטיים בגדלים שונים, מאפשר לספוג אנרגיית שמש המגיעה בתדרים שונים (מנת האנרגיה תלויה בתדר הקרינה) ולהעביר אותה לאלקטרונים כדי להביאם למנת האנרגיה הדרושה לשחרורם.
הצג של העתיד
למעשה, התופעה זהה גם בכיוון ההפוך: חוקרים מאוניברסיטת הרוורד הראו לאחרונה שגרעינים קוונטיים מייצרים או כאשר מעבירים דרכם זרם חשמלי. באמצעות בניית גרעינים קוונטיים וארגונם בתנית מיוחדת, הם ייצרו LED שהפיק או בהיר ובעל עוצמה גדולה. הטכנולוגיה צפויה לשמש לייצור צגים חסכוניים באנרגיה ומדוייקים מאוד, שכן צריכת ההספק שלהם נמוכה מאוד והרזולוציה גדולה בדרי גודל מאלה של הצגים הנוכחיים.
לפני חודשיים דיווחה אוניברסיטת טורונטו על הצלחה ביצירת התא הסולארי היעיל בעולם, בזכות שימוש בגרעינים קוונטיים. התגלית האחרונה מלמדת שתעשיית השבבים עדיין לא אמרה את המילה האחרונה בפיתוח תאים סולאריים יעילים.
פורסם בקטגוריות: אנרגיה וסביבה , חדשות , מדע
