חוקרים בטכניון שיפרו היעילות של תאים פוטו-וולטאיים

חוקרים בטכניון פיתחו טכנולוגיה העתידה לשפר משמעותית את נצילותם של תאים פוטו-וולטאיים. המחקר, שהתפרסם ב-Nature Communications, נערך במעבדת האקסיטוניקס (Excitonics Lab) בראשותו של פרופ'-משנה כרמל רוטשילד בפקולטה להנדסת מכונות. את המחקר הוביל הדוקטורנט אסף מנור.

השמש היא מקור רב עוצמה של אנרגיה מתחדשת. למעשה היא מקור האנרגיה היחיד כיום שיכול לספק את תצרוכת האנרגיה של המין האנושי, ולכן אין פלא שהשימוש באנרגיית שמש הולך ומתרחב - הן בשיטות תרמיות (Solar-Thermal), הממירות את אנרגיית השמש לחשמל דרך המרה ראשונית לחום, הן בתאים פוטו-וולטאיים (Photovoltaics) הממירים אותה ישירות לחשמל. עם זאת, מגבלות טכנולוגיות שונות מגבילות את יעילותם של התאים הפוטו-וולטאיים.

נמרוד קרוגר, פרופ'-משנה כרמל רוטשילד ואסף מנור(צילום: ניצן זוהר, דוברות הטכניון)

לדברי מנור, "התאים הפוטו-וולטאיים יודעים לנצל בצורה אופטימלית תחום צר מאוד מתוך ספקטרום-האור הרחב שמספקת השמש; קרינה שאינה בתחום הצר הזה מחממת את התאים ואינה מנוצלת לחשמל. אנרגיה אבודה זו מגבילה את היעילות המקסימלית של תאי שמש לכ-30%".

השיטה שפיתחו חוקרי הטכניון מבוססת על תהליך ביניים המתווך בין אור השמש לתא הפוטו-וולטאי ולמעשה ממיר את קרינת השמש לאור בספקטרום "אידיאלי" המאיר את תא השמש ומאפשר נצילות המרה גבוהה יותר. ההשראה לעבודה זו הגיעה מקירור אופטי, שבו האור שנבלע חוזר ונפלט באנרגיה גבוהה יותר ומקרר את החומר.

"כאן פיתחנו התקן שעושה דבר דומה עם אור השמש", אומר מנור. "קרני השמש, בדרכן לתאים הפוטו-וולטאים, פוגעות בחומר ייעודי שפיתחנו לצורך זה, אשר מתחמם מקרינת שמש הנמצאת בתחום הספקטרלי הלא מנוצל. הקרינה בתחום הספקטרלי היעיל נבלעת, חוזרת ונפלטת ומקררת את חומר הביניים. הקרינה שנפלטת נקצרת על ידי תא השמש ומומרת לחשמל. בצורה זו מומר לחשמל גם 'החום האבוד', והתוצאה: זינוק בנצילות המקסימלית של ההתקן מ-30%, הערך המקובל בהתקנים פוטו-וולטאיים, ל-50%".

פרופ'-משנה כרמל רוטשילד מהפקולטה להנדסת מכונות(צילום: ניצן זוהר, דוברות הטכניון)

נמרוד קרוגר, פרופ'-משנה כרמל רוטשילד ואסף מנור במעבדה(צילום: ניצן זוהר, דוברות הטכניון)

מנור מציין כי החומר הייחודי מתחמם על ידי קרינת השמש לטמפרטורה של כ-700 מעלות בלבד, פחות ממחצית מהטמפרטורות האופייניות להתקנים קיימים מסוג זה.

פרופ'-משנה כרמל רוטשילד הוא ראש המעבדה לאקסיטונים וראש המגמה להנדסה אופטית בפקולטה להנדסת מכונות בטכניון, מגמה המשלבת אופטיקה פיזיקלית ותכן אופטו-מכני. אסף מנור מסיים בימים אלה את התואר השלישי, שבמסגרתו זכה במלגת אדמס הניתנת לדוקטורנטים מצטיינים. מנור, שהשלים תואר ראשון בטכניון (חשמל ופיזיקה) ותואר שני במרכז לחקר אנרגיית השמש בשדה בוקר, ייצא בקרוב לפוסט-דוקטורט באוניברסיטת מישיגן.

המחקר התקיים בתמיכת תכנית האנרגיה ע"ש גרנד (GTEP) ומכון ראסל ברי לננוטכנולוגיה (RBNI) בטכניון וכחלק מפרויקטERC מטעם האיחוד האירופי של המעבדה בנושא כלים תרמו-דינמיים חדשים לתאי שמש.