פריצת דרך חדשה בטכנולוגיה סולארית עם פיתוח תאים סולאריים פרוסקיט מציעה יעילות רבה יותר ועלויות מופחתות בהשוואה לתאי סיליקון מסורתיים. חדשנות זו נותנת מענה לאתגרי מסחור גדולים, בעיקר שיפור יציבות התא ותהליכי ייצור. תאי Perovskite ממוקמים לשנות את השוק הסולארי, כאשר יישומים פוטנציאליים מתרחבים להנעת כלי רכב ולקידום השימוש באנרגיה מתחדשת.
עולם האנרגיה הסולארית מוכן למהפכה. מדענים דוהרים לפיתוח סוג חדש של תא סולארי באמצעות חומרים שיכולים להמיר חשמל ביעילות רבה יותר מהפנלים של היום.
במאמר חדש שפורסם בכתב העת אנרגיית הטבעחוקר מאוניברסיטת קולורדו בולדר ומשתפי הפעולה הבינלאומיים שלו חשפו שיטה חדשנית לייצור התאים הסולאריים החדשים, הידועים בשם תאי פרוסקיט, הישג קריטי למסחור של מה שרבים רואים בדור הבא של טכנולוגיה סולארית.
כיום, כמעט כל הפאנלים הסולאריים עשויים מסיליקון, המתגאה ביעילות של 22%. משמעות הדבר היא כי לוחות סיליקון יכולים להמיר רק כחמישית מאנרגיית השמש לחשמל מכיוון שהחומר סופג רק חלק מוגבל מאורכי הגל של אור השמש. ייצור סיליקון הוא גם יקר ודורש אנרגיה.
הזן perovskite. לחומר המוליך למחצה הסינטטי יש פוטנציאל להמיר הרבה יותר אנרגיה סולארית מסיליקון בעלות ייצור נמוכה יותר.
"Perovskites עשוי להיות מחליף משחק", אמר מייקל מקגי'י, פרופסור במחלקה להנדסה כימית וביולוגית ועמית במכון לאנרגיה מתחדשת ובר קיימא של CU Boulder.
שיפור היעילות באמצעות חדשנות
מדענים בדקו תאים סולאריים פרוסקיט על ידי ערימתם על גבי תאי סיליקון מסורתיים ליצירת תאי טנדם. שכבת שני החומרים, שכל אחד מהם סופג חלק אחר בספקטרום השמש, עשויה להגדיל את יעילות הפאנלים ביותר מ-50%.
"אנחנו עדיין רואים חשמול מהיר, עם יותר מכוניות אוזלות בחשמל. אנו מקווים לפרוש עוד מפעלי פחם ובסופו של דבר להיפטר ממפעלי גז טבעי", אמר מקגי. "אם אתה מאמין שעתיד מתחדש לחלוטין, אז אתה מתכנן ששווקי הרוח והשמש יתרחבו לפחות פי חמישה עד פי עשרה מהמקום שבו הם נמצאים היום."
כדי להגיע לשם, אמר, התעשייה חייבת לשפר את היעילות של תאים סולאריים.
אבל אתגר מרכזי בהכנתם מפרובסקיט בקנה מידה מסחרי הוא תהליך ציפוי המוליך למחצה על לוחות הזכוכית שהם אבני הבניין של לוחות. נכון לעכשיו, תהליך הציפוי צריך להתבצע בקופסה קטנה מלאה בגז לא מגיב, כמו חנקן, כדי למנוע מהפרוסקיטים להגיב עם חמצן, מה שמפחית את ביצועיהם.
"זה בסדר בשלב המחקר. אבל כשאתה מתחיל לצבוע חתיכות זכוכית גדולות, זה נהיה קשה יותר ויותר לעשות זאת בקופסה מלאה בחנקן", אמר מקגי.
מקגי'י ומשתפי הפעולה שלו יצאו לדרך כדי למצוא דרך למנוע את התגובה המזיקה עם האוויר. הם גילו שהוספת דימתיל-אמוניום פורמט, או DMAFo, לתמיסת הפרובסקיט לפני הציפוי יכולה למנוע מהחומרים להתחמצן. גילוי זה מאפשר לציפוי להתבצע מחוץ לקופסה הקטנה, באוויר הסביבה. ניסויים הראו שתאי פרובסקיט המיוצרים עם תוסף DMAFo יכולים להשיג יעילות של כמעט 25% בעצמם, בהשוואה לשיא היעילות הנוכחי של תאי פרוסקיט של 26%.
התוסף גם שיפר את יציבות התאים.
סיכויי עתיד ויישומים
לוחות סיליקון מסחריים יכולים בדרך כלל לשמור על לפחות 80% מהביצועים שלהם לאחר 25 שנים, ומאבדים כ-1% מהיעילות בשנה. תאי פרוסקיט, לעומת זאת, מגיבים יותר ומתכלים מהר יותר באוויר. המחקר החדש הראה שתא הפרובסקיט שנעשה עם DMAFo שמר על 90% מיעילותו לאחר שהחוקרים חשפו אותם לאור LED המחקה את אור השמש במשך 700 שעות. לעומת זאת, תאים שנוצרו באוויר ללא DMAFo התכלו במהירות לאחר 300 שעות בלבד.
למרות שזו תוצאה מעודדת מאוד, יש 8,000 שעות בשנה אחת, הוא ציין. אז יש צורך בבדיקות ארוכות יותר כדי לקבוע כיצד התאים הללו מחזיקים שעות נוספות.
"מוקדם מדי לומר שהם יציבים כמו לוחות סיליקון, אבל אנחנו במסלול טוב לקראת זה", אמר מקגי.
המחקר מקרב את התאים הסולאריים של פרוסקיט צעד אחד יותר למסחור. במקביל, הצוות של McGehee מפתח באופן פעיל תאי טנדם עם יעילות של למעלה מ-30% בעולם האמיתי, בעלי אותו אורך חיים תפעולי כמו לוחות סיליקון.
McGehee מובילה שותפות אקדמית-תעשייתית בארה"ב בשם Tandems for Efficient and Advanced Modules using Ultrastable Perovskites (TEAMUP). יחד עם חוקרים משלוש אוניברסיטאות אחרות, שתי חברות ומעבדה לאומית, הקונסורציום קיבל בשנה שעברה מימון של 9 מיליון דולר ממשרד האנרגיה האמריקני לפיתוח טנדם פרוסקיטים יציבים שניתן להשתמש בהם בעולם האמיתי והם סבירים מבחינה מסחרית. המטרה היא ליצור טנדם יעיל יותר מלוחות סיליקון רגילים ויציב באותה מידה לאורך תקופה של 25 שנה.
עם יעילות גבוהה יותר ותגי מחיר נמוכים יותר, לתאי טנדם אלה יכולים להיות יישומים רחבים יותר מאשר לוחות סיליקון קיימים, כולל התקנה פוטנציאלית על גגות כלי רכב חשמליים. הם יכולים להוסיף טווח של 15 עד 25 מייל ביום למכונית שנשארה בחוץ בשמש, מספיק כדי לכסות את הנסיעות היומיות של אנשים רבים. רחפנים וסירות מפרש יכולים להיות גם מופעלים על ידי לוחות כאלה.
לאחר עשור של מחקר בפרוסקיטים, מהנדסים בנו תאי פרוסקיט יעילים כמו תאי סיליקון, שהומצאו לפני 70 שנה, אמר מקגי. "אנחנו לוקחים את הפרובסקיטים לקו הסיום. אם טנדמים יצליחו, בהחלט יש להם פוטנציאל לשלוט בשוק ולהפוך לדור הבא של תאים סולאריים", אמר.
