פרובוסקייט, חומר מוליך למחצה אשר נמצא כיעיל מאוד בבליעת אור השמש ושכלולו עשוי להוביל לשינויי דרמטי בשימוש העולמי באנרגיה סולארית התגלה ע”י פרופ’ ליעוז אתגר וצוותו מהאוניברסיטה העברית כחומר שגם ניתן להחליפו ביעילות בתאים סולאריים מבלי לחכות שיתפרק או ייהרס ובכך יפגע בסביבה
אנרגיה סולארית נחשבת לטרנד ירוק ושאינו מזהם, מאפשרת ניצול יחסית מרבי של אנרגיית השמש, זמינה בכל מקום ואין צורך להובילה ממקום למקום – אך למרות זאת עדיין נשאלת השאלה האם תאים סולאריים משפיעים רק לטובה על הסביבה? כיום ידוע כי לאחר סיום חייו של התא הסולארי החומרים המרכיבים אותו עלולים להתפרק וליצור זיהום סביבתי. פרופ’ ליעוז אתגר מהמכון לכימיה בפקולטה למתמטיקה ומדעי הטבע באוניברסיטה העברית זיהה את האתגר, ובמעבדתו פותחו תאים סולאריים שהתגלו ככאלה שיכולים לעבור מחזור. המבנה הייחודי של התאים הללו מקנה להם יציבות המאפשרת את שטיפתם, הסרת החומר האקטיבי הפרובסקייט (Perovskite) מהם והשמת חומר חדש וטרי במקום. החוקרים מצאו שיעילות התאים נשמרת במלואה גם לאחר השמת הפרובסקייט החדש בפעם השנייה והשלישית, וכן כעבור מספר מחזורים נוספים.
התגלית של פרופ’ אתגר, המתוארת בהרחבה ב-PNAS, כתב העת הרשמי של האקדמיה הלאומית למדעים של ארצות הברית, מאפשרת להחליף באופן יזום את הפרובסקייט בתא הסולארי, מבלי לחכות שייהרס או יתפרק. “חישבו למשל על גג המצופה תאים סולאריים או שדה של תאים סולאריים – כעבור תקופה מסוימת כאשר נצילותם של התאים יורדת יהיה ניתן לשטוף אותם מחומר הפרובסקייט, כאשר כל שאר תבנית התא נשארת ואינה ניזוקה. בשלב הבא ניתן למרוח פרובסקייט חדש לתוך התאים הקיימים. מדובר בתהליך פשוט, יעיל, זול וכמובן אינו מזיק לסביבה”, הסביר השבוע החוקר.
המאמר המדעי מפרט את ייחודיות ויצירתם של התאים הסולריים מבוססי הפרובקייט. יתרונם הבולט הינה יכולת ההדפסה של התאים במלואם באמצעות שיטה הנקראת Screen printing, המאפשרת יצירת פאנלים סולאריים גדולים ואחידים והוזלת העלות שלהם. יתרון נוסף הינו יעילותם הגבוהה המאפיינת את תאי הפרובסקייט ויציבות טובה מאוד עקב המבנה המורכב מרשת של מתכות מחומצנות אשר ידועות ביציבותן המצוינת.
מהו פרובסקייט? ומה כל כך מיוחד בו? פרובסקייט במקורו הינו מינרל. הפרובסקייט התגלה לראשונה ע״י גוסטב רוז ב 1839, ושמו ניתן על שם לב פרובסקי (הנימרליסט במקצועו) אשר גילה את המבנה הראשוני המורכב מאטומי קלציום, טיטניום וחמצן. לאחר מכן הורחבה משפחת הפרובסקייט לאילו המבוססים על חמצנים. אך פרובסקייטים אילו אינם מתאימים לשימוש בתאים סולריים, מאחר ואין להם את התכונות הנדרשות לשימוש בהתקנים מעין אילו. דוגמא לתכונות הנדרשות הינן בליעת אור בטווח רחב והולכה טובה תחת הארת אור השמש, אשר פרובסקייטים אילו אינם טובים בכך. לפני מספר שנים קרה דבר מעניין כאשר פרובסקייט אשר אינו מבוסס על חמצנים נוסה במספר התקנים אופטו-אלקטרוניים והראה תכונות מעניינות בניהם בליעת אור בטווח רחב, ויכולת הולכת מטענים באור מצד אחד ולעומת זאת יכולת להיות מבודד בחושך. (חומר מעין זה נקרא מוליך למחצה). תכונות מעין אילו הינן אטרקטיביות מאד עבור תאים סולריים.
מאז אותה תגלית, השימוש בחומר הפרובסקייט צבר תאוצה במהירות, והתגלו תכונות רבות נוספות כגון שינוי תכונותיו האופטיות על ידי שינויים כימיים בחומר, האפשרות לעבודה איתו בצורה פשוטה ובטמפרטורות נמוכות אשר מאפשר להשתמש בו לטכנולוגיות המבוססות על מצעים גמישים.
נכון להיום פרובסקייט נוסה במספר רב של אפליקציות כגון: תאים סולריים לשימושים שונים כפי שמתואר בהמשך, התקנים פולטי אור למסכים, לייזרים וכן הלאה.
נתאר באופן איכותי את הכנת התא הסולרי וקצת את תכונותיו. תהליך הכנת התא הסולרי כולל הדפסה של מספר שכבות אשר עשויות מננו-חלקיקים של מתכות מחומצנות, כאשר מבנה מעין זה יוצר מצע פורוזיבי דק מאד (מספר מיקרומטרים). אל תוך מצע זה מורחים את הפרובסקייט אשר מחלחל דרך המצע הפורוזיבי ומשלים את התא הסולרי.
תמונה 1 מתארת ציור סכמטי של התא הסולרי וחתך צד של השכבות השונות אשר נעשה במיקרוסקופ אלקטרונים בעל רזולוציה גבוהה.
תמונה 1. מבנה סכמטי של התא הסולרי (שמאל) , תמונת חתך צד במיקרוסקופ אלקטרונים של השכבות השונות. (ימין). לקוח מהמאמר ב PNAS.
תא סולרי מעין זה יכול לשמש למספר טכנולוגיות, כגון תאים בעלי יכולת הפקת אנרגיה ביעילות גבוהה ותאים בעלי שקיפות וצבע מסוים למשל לתחום הבנייה.
כדי למדוד את יעילותם של התאים הסולריים נעשה שימוש במכשיר המדמה את אור השמש. התאים מוקרנים באור אשר יש לו ספקטרום דומה לספקטרום השמש, ובעל עוצמה המדמה את השמש בשעות שונות ביום. במהלך המדידה מופעל על התא הסולרי מתח והזרם שהוא מייצר כתוצאה מכך נמדד. בעזרת נתונים אילו ניתן לקבל אופיין זרם-מתח אשר ממנו ניתן לחשב את יעילות התא, המתח שהוא מספק, הספקו ועוד נתונים נוספים.
כפי שצוין קודם לכן טכנולוגיית תאים סולריים אילו ניתנת למחזור. כלומר ניתן לשטוף את הפרובסקייט (שהוא החומר האקטיבי בתא הסולרי) המכיל את התאים ולמרוח פרובסקייט חדש במקומו. דבר מעניין קורה כאשר בכל פעם שמורחים פרובסקייט חדש יעילות התאים הסולריים אינה יורדת ונשארת זהה ואף עולה. דבר זה מוכיח את יציבותם של המצעים המורכבים מרשת ננוחלקיקים של מתכת מחומצנת כפי שצוין קודם לכן.
תמונה 2 מציגה את התא הסולרי לפני ואחרי שטיפתו ומריחת פרובסקייט טרי. וזה עבור מספר מחזורים.
תמונה 2. התא הסולרי כעבור מספר מחזורים של שטיפה ומריחה של פרובסקייט טרי. לקוח מהמאמר ב PNAS.
פרמטר חשוב בבדיקת טכנולוגיה כלשהי ותאים סולריים בפרט הינה יציבותם. בתמונה 3 ניתן לראות מעקב אחרי יציבותם של תאים סולריים מעל כ 40 ימים. בתמונה מתוארים מספר פרמטרים חשמליים שניתן לעקוב אחריהם במהלך המדידה. כגון מתח התא במעגל פתוח Voc , זרם התא במתח אפס Jsc , פקטור האידיאליות FF , ויעילות המרת האנרגיה של תאים PCE.
תוצאות אילו מראות את ההבטחה הרבה בטכנולוגיה זו, אשר בנוסף ליתרונותיה הרבים מדגימה יציבות גבוהה.
תמונה 3. היציבות של התאים הסולריים למשך יותר מ 40 ימים. לקוח מהמאמר ב PNAS.
אנרגיות מתחדשות משחקות לאחרונה תפקיד מרכזי בקידום האנושות, ביניהן האנרגיה הסולארית ואנרגיית הרוח. בתחום האנרגיה הסולארית, תאים סולאריים מבוססי פרובסקייט הגיעו תוך מספר שנים מועט ליעילות גבוהה, דבר אשר מציב טכנולוגיה זו כמובילה מבין טכנולוגיות האנרגיה הסולארית הקיימות. החוקרים משוכנעים כי הטכנולוגיה הייחודית הזאת יכולה לשמש למספר אפליקציות, ביניהם תאים חצי שקופים ותאים היכולים לשמש כתאים משלימים לטכנולוגיות קיימות כגון תאים סולאריים מבוססי סיליקון.
במחקר הקודם, שפורסם בכתב העת המדעי Nano Letters, קבוצת המחקר של פרופ’ אתגר יצרה לראשונה פרובסקייט דו-ממדי. הפרובסקייט הדו-ממדי יציב יותר מהפרובסקייט שהיה בשימוש עד כה בתאים הסולאריים. נושא היציבות של התאים הסולאריים הינו חשוב ביותר, על מנת שטכנולוגיה זו תוכל להיות ממוסחרת. במעבדה הצליחו החוקרים להטמיע את הפרובקייט הדו-ממדי בתא הסולארי וכתוצאה מכך התקבלה יעילות גבוהה של התאים, יציבותם השתפרה ועלותם הכללית ירדה משמעותית. בנוסף, ואולי חשוב מכל, הם היו יעילים מאוד בבליעת אנרגיית השמש – אנרגיה שלא מנוצלת כיום בצורה יעילה ומועילה. למעשה, קיים פער אדיר בין השימוש הקיים באנרגיית השמש לבין הפוטנציאל הלא מנוצל שלה.
