מדענים קבעו שיא יעילות עולמי חדש עבור תאים סולאריים של CIGS ב-23.64 אחוזים, המדגישים את הפוטנציאל של טכנולוגיית CIGS בקידום היעילות והאמינות של אנרגיית השמש. הישג זה מסמן צעד משמעותי קדימה בחיפוש אחר פתרונות אנרגיה סולארית יעילים וחסכוניים יותר.
אוניברסיטת אופסלה קבעה שיא עולמי חדש בייצור אנרגיה חשמלית מתאי שמש CIGS, והשיגה שיעור יעילות של 23.64%. הישג זה אומת על ידי מכון בלתי תלוי והממצאים פורסמו בכתב העת המוערך, אנרגיית הטבע.
השיא נובע משיתוף פעולה בין חברת First Solar European Technology Center (שנודעה בעבר בשם Evolar) לבין חוקרי תאים סולאריים באוניברסיטת אופסלה.
"המדידות שעשינו בעצמנו עבור תא סולארי זה ותאים סולאריים אחרים שיוצרו לאחרונה נמצאות בטווח השגיאה עבור המדידה העצמאית. מדידה זו תשמש גם לכיול פנימי של שיטות המדידה שלנו", אומרת מריקה אדוף, פרופסור לטכנולוגיית תאים סולריים באוניברסיטת אופסלה, האחראית על המחקר.
מריקה אדוף, פרופסור וראש החטיבה לטכנולוגיית תאים סולאריים, המחלקה למדע והנדסת חומרים, אוניברסיטת אופסלה. קרדיט: מיקאל ולרשטדט
שיא העולם הקודם עמד על 23.35 אחוזים (Solar Frontier, יפן), לפניו 22.9 אחוזים (ZSW, גרמניה). אוניברסיטת אופסלה החזיקה בשיא בעבר, הפעם הראשונה הייתה בשנות ה-90 בשיתוף הפעולה המחקרי Euro-CIS.
"בזמן מסוים גם החזקנו בשיא של אב טיפוס מחובר לסדרה. למרות שעבר די הרבה זמן מאז שהחזקנו בשיא התא, לעתים קרובות היינו בדיוק מאחורי התוצאות הטובות ביותר וכמובן, יש הרבה היבטים רלוונטיים שיש לקחת בחשבון, כמו הפוטנציאל להגדלה לתהליך בקנה מידה גדול, איפה שתמיד היינו בחזית", אומר אדוף.
ההשפעה העולמית של תאים סולאריים
תאים סולאריים גדלים במהירות ברחבי העולם ואנרגיה סולארית היוותה קצת יותר מ-6% מהחשמל ברחבי העולם בשנת 2022 על פי סוכנות האנרגיה הבינלאומית (IEA). המודולים הסולאריים הטובים ביותר של סיליקון גבישי, שהוא החומר הנפוץ ביותר בתאים סולאריים, ממירים כיום יותר מ-22 אחוז מאור השמש לאנרגיה חשמלית ותאים סולאריים מודרניים הם גם זולים וגם יציבים לטווח הארוך.
יעד אחד במחקר תאים סולאריים הוא להגיע ליותר מ-30 אחוז יעילות בעלויות ייצור סבירות. ההתמקדות היא לעתים קרובות מאוד בתאים סולאריים טנדם, שכן הם יעילים יותר, אך עד כה הם היו יקרים מדי לשימוש בקנה מידה גדול.
השיא העולמי של 23.64 אחוזים נמדד על ידי המכון העצמאי Fraunhofer ISE בגרמניה. המאמר המלומד מציג ניתוח חומר וחשמלי יסודי של התא הסולארי וכן השוואה לרישומים קודמים עבור אותו סוג של תא סולארי ממוסדות מחקר אחרים.
התמונה מציגה חתך של השכבות הפעילות בתא הסולארי בעל הסרט הדק, בעובי כולל של לא יותר מ-3 מיקרומטר. באמצעות ננו-XRF שנמדד במתקן MAX IV בלונד, ניתן למדוד את הריכוז של יסודות מטריקס וגם יסודות קורט (במקרה זה רובידיום) בתא הסולארי בדיוק גבוה. קרדיט: מריקה אדוף
התכונות החשובות ביותר של תא סולארי הן היכולת לקלוט אור והיכולת להעביר אנרגיה למטען חשמלי. כדי שזה יצליח, החומר חייב להיות מסוגל לספוג חלק אופטימלי של אור השמש תוך הימנעות מבזבוז אנרגיה זו על ידי המרתה לחום בתוך התא הסולארי.
תאים סולאריים של CIGS מורכבים מיריעת זכוכית העשויה מזכוכית רגילה לחלון שצופה בכמה שכבות שונות שלכל אחת מהן משימה מסוימת. החומר הסופג את אור השמש מורכב מנחושת, אינדיום, גליום וסלניד (ומכאן ראשי התיבות CIGS), עם תוספות של כסף ונתרן. שכבה זו מונחת בתא הסולארי בפועל, בין מגע אחורי של מוליבדן מתכתי למגע קדמי שקוף. כדי להפוך את התא הסולארי ליעיל ככל האפשר בהפרדת האלקטרונים, שכבת ה-CIGS מטופלת ברובידיום פלואוריד. האיזון בין שתי המתכות האלקליות, נתרן ורובידיום, והרכב שכבת ה-CIGS הם המפתח ליעילות ההמרה, כלומר חלקו של ספקטרום השמש המלא המומר לאנרגיה חשמלית בתא הסולארי.
כאשר מכוני מדידה עורכים את הבדיקות שלהם, הם מודדים את יעילות התא הסולארי באמצעות אור מסונן המחקה את השמש הן בעוצמה והן בספקטרום. במהלך המדידה, התא הסולארי נשמר בטמפרטורה מבוקרת והמכונים העצמאיים שולחים באופן קבוע תאים סולאריים מכיול זה לזה. כדי להירשם כשיא עולמי, נדרשת מדידה עצמאית, שבמקרה זה בוצעה על ידי מכון המדידה Fraunhofer ISE.
התקדמות טכנולוגית וצפי עתיד
"המחקר שלנו מוכיח שטכנולוגיית הסרט הדק של CIGS היא אלטרנטיבה תחרותית כתא סולארי עצמאי. לטכנולוגיה יש גם תכונות שיכולות לתפקד בהקשרים אחרים, כמו התא התחתון של תא סולארי טנדם", אומר אדוף.
נעשה שימוש במספר שיטות מדידה מתקדמות כדי להבין יותר את המתאם בין היעילות למבנה התא הסולארי: חומר מהתא הסולארי אופיין על ידי ננו-XRF (ספקטרוסקופיה של קרני רנטגן) במתקן MAX IV בלונד, שם בוצע ניתוח קומפוזיציה קפדני. נעשה שימוש במיקרוסקופ אלקטרוני שידור (TEM) ברזולוציה גבוהה כדי לחקור חתכים רוחביים של התא הסולארי, הן ההרכב כפונקציה של העומק והן כיצד בנויים גרגרי הגביש, כמו גם את הממשקים בין השכבות. באמצעות photoluminescence, הספקטרום של האור הנפלט מהתא הסולארי לאחר עירור בלייזר נחקר כאמצעי להבין עד כמה התא הסולארי דואג לאלקטרונים מבפנים. לתא סולארי שמאיר בבהירות יש נתח נמוך יותר של הפסדי חום פנימיים מאשר לתא סולארי שמאיר בחלשות. לבסוף, נעשה שימוש בשיטות מדידה חשמליות כדי לנתח את הסימום של החומר CIGS.
"העובדה שאנו מחזיקים כעת בשיא העולם אומר הרבה הן עבור אוניברסיטת אופסלה והן עבור המרכז הטכנולוגי האירופי הסולארי הראשון. עבור טכנולוגיית ה-CIGS, הידועה באמינות גבוהה, שיא עולמי פירושו גם שהיא עשויה להציע אלטרנטיבה בת קיימא עבור יישומים חדשים, למשל, בתאים סולאריים טנדם. זה חשוב לעמיתינו למחקר ברחבי העולם. אנו מקווים שניתוח החומרים והתכונות החשמליות יספקו בסיס לשיפורים נוספים בביצועים", מסכם אדוף.
