גילוי סודות שמש: מחקר חדש סולל את הדרך לרווחי יעילות

חוקרים מאוניברסיטת פדרבורן משפרים את היעילות של תאים סולאריים באמצעות שילוב אסטרטגי של פגמים בתכנון המערכת.

מאז תחילת המאה ה-21, גרמניה ראתה התקדמות משמעותית בתחום האנרגיה הסולארית. בשנת 2000, האנרגיה הסולארית תרמה פחות מאחוז אחד מייצור החשמל שלה. עם זאת, עד 2022, אחוז זה עלה לכ-11 אחוזים. צמיחה זו הונעה על ידי שילוב של תמריצים כספיים נדיבים עבור מתקנים סולאריים למגורים והתקדמות טכנולוגית שהפחיתה את עלות הפאנלים הסולאריים.

עם קונפליקטים עולמיים שהופכים את שווקי הנפט והגז הטבעי לפחות אמינים, האנרגיה הסולארית עשויה למלא תפקיד גדול עוד יותר בסיוע במילוי צורכי האנרגיה של גרמניה בשנים הבאות. בעוד שהטכנולוגיה הסולארית עברה דרך ארוכה ברבע המאה האחרונה, התאים הסולאריים בפאנלים סולאריים עכשוויים עדיין פועלים רק ביעילות של כ-22 אחוזים בממוצע.

למען שיפור יעילות התאים הסולאריים, צוות מחקר בראשות פרופ' וולף גרו שמידט מאוניברסיטת פדרבורן השתמש במשאבי מחשוב עתירי ביצועים (HPC) במרכז המחשוב הגבוה בשטוטגרט (HLRS) כדי ללמוד כיצד אלו תאים ממירים אור לחשמל. לאחרונה, הצוות משתמש במחשב העל Hawk של ​​HLRS כדי לקבוע כיצד תכנון זיהומים אסטרטגיים מסוימים בתאים סולאריים יכול לשפר את הביצועים.

"המוטיבציה שלנו בנושא זה כפולה: במכון שלנו בפדרבורן, עבדנו כבר די הרבה זמן על מתודולוגיה לתיאור מיקרוסקופי של הדינמיקה של חומרים נרגשים אופטית, ופרסמנו מספר מאמרים חלוציים על הנושא הזה ב- בשנים האחרונות", אמר שמידט. "אבל לאחרונה, קיבלנו שאלה ממשתפי פעולה ב-Helmholtz Zentrum Berlin שביקשו מאיתנו לעזור להם להבין ברמה הבסיסית איך התאים האלה עובדים, אז החלטנו להשתמש בשיטה שלנו ולראות מה אנחנו יכולים לעשות."

לאחרונה, הצוות השתמש בהוק כדי לדמות כיצד אקסיטונים – שילוב של אלקטרון שיוצא אופטית ו"חור" האלקטרון שהוא משאיר אחריו – ניתן לשלוט ולהזיז בתוך תאים סולאריים כך שיותר אנרגיה תיתפס. במחקר שלו, הצוות גילה תגלית מפתיעה: הוא גילה שפגמים מסוימים במערכת, שהוכנסו אסטרטגית, ישפרו את העברת האקסיטונים במקום להפריע לה. הצוות פרסם את תוצאותיו ב מכתבי סקירה פיזית.

תכנון תאים סולאריים להמרת אנרגיה יעילה יותר

רוב התאים הסולאריים, בדומה להרבה מוצרי אלקטרוניקה מודרניים, עשויים בעיקר מסיליקון. אחרי חמצן, זהו היסוד הכימי השני בשכיחותו על פני כדור הארץ במונחים של מסה. בסביבות 15 אחוז מכדור הארץ כולו מורכב מסיליקון, כולל 25.8 אחוז מקרום כדור הארץ. החומר הבסיסי להפקת אנרגיה ידידותית לאקלים מצוי אפוא בשפע וזמין כמעט בכל מקום.

עם זאת, לחומר זה יש חסרונות מסוימים ללכידת קרינת השמש והמרתה לחשמל. בתאים סולאריים מסורתיים, מבוססי סיליקון, חלקיקי אור, הנקראים פוטונים, מעבירים את האנרגיה שלהם לאלקטרונים זמינים בתא השמש. לאחר מכן התא משתמש באותם אלקטרונים נרגשים כדי ליצור זרם חשמלי.

הבעיה? פוטונים בעלי אנרגיה גבוהה מספקים הרבה יותר אנרגיה ממה שניתן להפוך לחשמל על ידי סיליקון. לפוטוני אור סגול, למשל, יש כשלושה וולט אלקטרונים (eV) של אנרגיה, אבל הסיליקון מסוגל להמיר רק כ-1.1 eV מהאנרגיה הזו לחשמל. שאר האנרגיה הולכת לאיבוד כחום, שהיא גם הזדמנות שהוחמצה ללכידת אנרגיה נוספת וגם מפחיתה את הביצועים והעמידות של התא הסולארי.

בשנים האחרונות, מדענים החלו לחפש דרכים לנתב מחדש או ללכוד בדרך אחרת חלק מהאנרגיה העודפת הזו. בעוד מספר שיטות נחקרות, הצוות של שמידט התמקד בשימוש בשכבה דקה מולקולה של טטרצין, חומר מוליך למחצה אורגני נוסף, כשכבה העליונה של תא סולארי.

בניגוד לסיליקון, כאשר טטרצין מקבל אנרגיה גבוהה פוטון, הוא מפצל את האקסיטונים המתקבלים לשני עירורים בעלי אנרגיה נמוכה בתהליך המכונה ביקוע יחיד. על ידי הנחת שכבת ממשק שתוכננה בקפידה בין טטרצין לסיליקון, ניתן להעביר את האקסיטונים בעלי האנרגיה הנמוכה המתקבלת מטטראצן לסיליקון, שם ניתן להמיר את רוב האנרגיה שלהם לחשמל.

תועלת בחוסר שלמות

בין אם משתמשים בטטרצין או בחומר אחר להגדלת תאים סולאריים מסורתיים, החוקרים התמקדו בניסיון לתכנן את הממשק המושלם בין חלקים המרכיבים של תא סולארי כדי לספק את התנאים הטובים ביותר להעברת אקציטון.

שמידט וצוותו משתמשים אב initiio סימולציות של דינמיקה מולקולרית (AIMD) כדי ללמוד כיצד חלקיקים מתקשרים ונעים בתוך תא סולארי. עם גישה להוק, הצוות מסוגל לבצע חישובים יקרים מבחינה חישובית כדי לראות כיצד כמה מאות אטומים והאלקטרונים שלהם מתקשרים זה עם זה. הצוות משתמש בהדמיות AIMD כדי לקדם את הזמן במרווחי פמט-שניות כדי להבין כיצד אלקטרונים מתקשרים עם חורי אלקטרונים ואטומים אחרים במערכת. בדומה לחוקרים אחרים, הצוות ביקש להשתמש בשיטת החישוב שלו כדי לזהות פגמים במערכת ולחפש דרכים לשפר אותה.

בחיפוש אחר הממשק המושלם, הם מצאו הפתעה: שממשק לא מושלם עשוי להיות טוב יותר להעברת אקסיטון. במערכת אטומית, לאטומים שאינם רוויים לחלוטין, כלומר אינם קשורים לחלוטין לאטומים אחרים, יש מה שנקרא "קשרים משתלשלים". חוקרים מניחים בדרך כלל שקשרים תלויים מובילים לחוסר יעילות בממשקים אלקטרוניים, אך בסימולציות AIMD שלו, הצוות מצא כי קשרי סיליקון תלויים למעשה טיפחו העברת אקציטון נוספת על פני הממשק.

"פגם תמיד מרמז שיש משהו לא רצוי במערכת, אבל זה לא באמת נכון במקרה שלנו", אמר פרופ' אוה גרסטמן, פרופסור מאוניברסיטת פדרבורן ומשתף פעולה בפרויקט. "בפיזיקה של מוליכים למחצה, כבר השתמשנו אסטרטגית בפגמים שאנו מכנים תורמים או מקבלים, שעוזרים לנו לבנות דיודות וטרנזיסטורים. אז מבחינה אסטרטגית, פגמים בהחלט יכולים לעזור לנו לבנות סוגים חדשים של טכנולוגיות".

ד"ר מרווין קרנץ, חוקר פוסט-דוקטורט באוניברסיטת פדרבורן ומחבר ראשי במאמר של הצוות, הצביע על הסתירה בממצאי הצוות בהשוואה למצב הנוכחי של מחקר תאים סולאריים. "זו נקודה מעניינת עבורנו שהכיוון הנוכחי של המחקר היה לתכנן ממשקים מושלמים יותר ויותר ולהסיר פגמים בכל מחיר. המאמר שלנו עשוי להיות מעניין עבור קהילת המחקר הגדולה יותר מכיוון שהוא מצביע על דרך אחרת ללכת בכל הקשור לתכנון המערכות הללו", אמר.

חמוש בתובנה החדשה הזו, הצוות מתכנן כעת להשתמש בכוח המחשוב העתידי שלו כדי לעצב ממשקים שאינם מושלמים לחלוטין, כביכול. מתוך ידיעה שקשרי סיליקון משתלשלים יכולים לעזור לטפח העברת אקסיטונים זו, הצוות רוצה להשתמש ב-AIMD כדי לעצב ממשק בצורה מהימנה עם העברת אקסיטונים משופרת. עבור הצוות, המטרה היא לא לעצב את התא הסולארי המושלם בן לילה, אלא להמשיך ולשפר את הדורות הבאים של טכנולוגיה סולארית.

"אני מרגיש בטוח שנמשיך לשפר בהדרגה את יעילות התאים הסולאריים לאורך זמן", אמר שמידט. "במהלך העשורים האחרונים, ראינו עלייה שנתית ממוצעת ביעילות של כ-1% על פני ארכיטקטורות תאים סולאריים שונים. עבודה כמו זו שביצענו כאן מעידה כי ניתן לצפות לעליות נוספות בעתיד. באופן עקרוני, אפשר להגדיל את היעילות בפקטור של 1.4 באמצעות ניצול עקבי של ביקוע סינגל".

המימון להוק ניתן על ידי משרד באדן-וירטמברג למדע, מחקר ואמנויות ומשרד החינוך והמחקר הפדרלי של גרמניה באמצעות מרכז גאוס למחשוב-על (GCS).