פאנלים סולאריים על גג Walmart, Mountain View, קליפורניה.
וולמארט / פליקר, CC BY

הביקוש העולמי לאנרגיה גדל לפי שעה כשמדינות מתפתחות עוברות לכיוון התיעוש. מומחים מעריכים כי עד שנת 2050, הביקוש העולמי לחשמל עשוי להגיע 30 טרה-וואט (TW). מבחינת הפרספקטיבה, טרהוואט אחד שווה בערך לכוחם של מיליארד סוסים בסכום של 1.3.

אנרגיה מהשמש אינה מוגבלת - השמש מספקת לנו 120,000 TW של כוח בכל רגע נתון - והיא חופשית. אך כיום אנרגיה סולארית מספקת רק בערך אחוז אחד של החשמל בעולם. האתגר הקריטי הוא לייקר פחות את המרת אנרגיית הצילום לאנרגיה חשמלית שמישה.

לשם כך עלינו למצוא חומרים הסופגים אור שמש ולהמיר אותם לחשמל ביעילות. בנוסף, אנו רוצים שהחומרים הללו יהיו בשפע, שפירים לסביבה וחסכוניים לייצורם למכשירים סולאריים.

חוקרים מרחבי העולם פועלים לפיתוח טכנולוגיות של תאים סולאריים יעילים ומשתלמים. המטרה היא להביא את עלות ההתקנה של חשמל סולארי מתחת ל- 1 $ לוואט לעומת כ- $ 3 לוואט היום.

באוניברסיטת בינגהמטון המרכז לאנרגיה סולארית אוטונומית (CASP)אנו חוקרים דרכים לייצור תאים סולריים דקיקים מסרטים בעזרת חומרים שיש בשפע באופיים ואינם רעילים. אנו רוצים לפתח תאים סולריים שהם אמינים, יעילים מאוד בהמרת אור שמש לחשמל וזולים לייצור. זיהינו שני חומרים שיש להם פוטנציאל רב כ בולמי שמש: פיריט, הידוע יותר כזהב הטיפש בגלל הברק המתכתי שלו; ונחושת-אבץ-פח-גופרתי (CZTS).

מחפש את החומר האידיאלי

תאי השמש המסחריים של ימינו עשויים אחד משלושה חומרים: סיליקון, קדמיום טלוריד (CdTe) ונחושת אינדיום-גליום-סלניום (CIGS). לכל אחד יש נקודות חוזק וחולשה.

תאים סולאריים מסיליקון יעילים ביותר, וממירים עד 25 אחוז מאור השמש הנופל עליהם לחשמל, ועמידים מאוד. עם זאת, מאוד יקר לעבד סיליקון לפלים. ופלים אלה צריכים להיות מאוד עבים (בערך 0.3 מילימטרים, שהם עבים לתאי שמש) כדי לספוג את כל אור השמש הנופל עליהם, מה שמגדיל את העלויות עוד יותר.

תאים סולאריים מסיליקון - המכונים לעתים קרובות תאים סולאריים מהדור הראשון - משמשים בלוחות שהפכו למראות מוכרים בגגות. המרכז שלנו לומד סוג אחר הנקרא תאים סולריים סרט דק, שהם הדור הבא של טכנולוגיית השמש. כפי ששמם מרמז, תאים סולאריים מסרטים דקים מיוצרים על ידי הנחת שכבה דקה של חומר סופג סולארי על מצע, כגון זכוכית או פלסטיק, אשר בדרך כלל יכולים להיות גמישים.

תאים סולאריים אלה משתמשים בפחות חומר ולכן הם יקרים יותר מתאי שמש גבישיים העשויים מסיליקון. לא ניתן למעט סיליקון גבישי על מצע גמיש, ולכן אנו זקוקים לחומר אחר שישמש כקולטי שמש.

למרות שטכנולוגיית השמש של הסרט הדק משתפר במהירות, חלק מהחומרים בתאי השמש של הסרט הדק של היום הם נדירים או מסוכנים. לדוגמא, הקדמיום ב- CdTe רעיל ביותר לכל היצורים החיים וידוע כגורם לסרטן אצל בני אדם. CdTe יכול להיפרד לקדמיום וטוריום בטמפרטורות גבוהות (למשל, במעבדה או בשריפה ביתית), מהווה סיכון לשאיפה קשה.

אנו עובדים עם פיריט ו- CZTS מכיוון שהם אינם רעילים וזולים מאוד. CZTS עולה בערך 0.005 סנט לוואט, ועלויות פיריט רק סנט של 0.000002 לוואט. הם גם הם בין החומרים השופעים ביותר בקרום כדור הארץ, וסופגים ביעילות את הספקטרום הנראה של אור השמש. סרטים אלה יכולים להיות דקים כמו 1 / 1000th של מילימטר.

בדיקת תאי שמש CZTS תחת אור שמש מדומה.
טרה דהקל / אוניברסיטת בינגהמטון, סופרת סיפקהעלינו לגבש חומרים אלה לפני שנוכל לבדר אותם לתאים סולאריים. זה נעשה על ידי חימום אותם. CZTS מתגבש בטמפרטורות מתחת לצלזיוס מעלות 600, בהשוואה ל- 1,200 מעלות צלזיוס ומעלה לסיליקון, מה שהופך אותו לזול יותר לעבד. הוא מבצע ביצועים דומים לתאי שמש יעילות גבוהה של נחושת אינדיום גליום סלניום (CIGS), הזמינים מסחרית כעת, אך מחליף את האינדיום והגליום בתאים אלה באבץ ופח זול ושופע יותר.

אולם עד כה, תאים סולריים של CZTS אינם יעילים יחסית: הם ממירים פחות מ 13 אחוזים של אור השמש הנופל עליהם על חשמל, לעומת 20 אחוזים עבור תאים סולאריים יקרים יותר מ- CIGS.

אנו יודעים כי לתאים סולאריים של CZTS יש פוטנציאל יעיל של 30. האתגרים העיקריים הם 1) סינתזת סרט דק CZTS איכותי ללא עקבות של זיהומים, ו- 2) מציאת חומר מתאים לשכבת "החיץ" שמתחתיו, המסייעת באיסוף המטענים החשמליים שיצר אור השמש בשכבת הבולם. המעבדה שלנו הפיקה סרט דק עם CZTS יעילות של שבעה אחוזים; אנו מקווים לגשת בקרוב ליעילות של 15 אחוז בקרוב על ידי סינתזת שכבות CZTS איכותיות ומציאת שכבות חיץ מתאימות.

מבנה של תא סולרי CZTS.
טרה דהקל / יונינג בינגהמטון, סופרת סופקהפיריט הוא בולם פוטנציאלי נוסף שניתן לסנתז בטמפרטורות נמוכות מאוד. במעבדה שלנו יש סרטים דקים מפיריט מסונתזים, וכעת אנו עובדים על שכבת הסרטים הללו לתאים סולאריים. תהליך זה מאתגר מכיוון שפיריט מתפרק בקלות כאשר הוא חשוף לחום ולחות. אנו חוקרים דרכים להפוך אותו ליציב יותר מבלי להשפיע על ספיגת השמש שלו ועל תכונותיו המכניות. אם נוכל לפתור את הבעיה, "זהב הזה של השוטה" עשוי להפוך למכשיר פוטו וולטאי חכם.

במחקר שנערך לאחרונה העריכו חוקרים מאוניברסיטת סטנפורד ואוניברסיטת קליפורניה בברקלי כי אנרגיה סולארית יכולה לספק עד 45 אחוזים של חשמל בארה"ב לפי 2050. כדי לעמוד ביעד זה, עלינו להמשיך ולהוזיל את עלויות האנרגיה הסולארית ולמצוא דרכים להפוך תאים סולאריים לקיימים יותר. אנו מאמינים כי חומרים שאינם רעילים בשפע הם המפתח למימוש הפוטנציאל של אנרגיה סולארית.

על המחבר

טרה פ. דקל, עוזרת לפרופסור להנדסת חשמל ומחשבים, אוניברסיטת בינגהמטון, אוניברסיטת מדינת ניו יורק. האינטרס המחקרי שלו הוא באנרגיה מתחדשת, ובמיוחד באנרגיה סולארית. מטרת המחקר שלו היא להשיג טכנולוגיה של תאים סולאריים שפירים לסביבה ומשתלמים כלכלית.

מאמר זה פורסם במקור ב שיחה. קרא את מאמר מקורי.

ספרים קשורים

at InnerSelf Market ואמזון