תאים סולאריים שקופים למחצה עשויים להפוך את החלונות למערכות לייצור חשמל

סדה ניוז - רעיון ייצור החשמל מקירות הבניינים כבר אינו מוגבל לפאנלים סולאריים מסורתיים על הגגות. חוקרים מאוניברסיטת נאניאנג הטכנולוגית בסינגפור פיתחו סוג חדש של תאים סולאריים דקים במיוחד ושקופים למחצה, שיכולים לפתח את הדרך לשילוב של אנרגיה סולארית בחלונות, חזיתות זכוכית, ואולי גם ברכבים ובמכשירים ניידים, מבלי לשנות בצורה משמעותית את המראה החיצוני שלהם.

תאים כמעט בלתי נראים

הצוות המחקרי מנוהל על ידי פרופ' אנליסה ברונו מאוניברסיטת נאניאנג הטכנולוגית. החוקרים הצליחו לייצר תאים סולאריים מופרוסקיט (Perovskite) בעובי שכבת הספיגה של 10 ננומטרים בלבד, מה שהופך אותם לדקים בעשרה אלפים פעם משערת אדם, ודקים בכחמישים פעם מהתאים הסולאריים המסורתיים מסוג פרופוסקיט. למרות העובי המוגבל הזה, התאים השיגו רמות יעילות שנחשבות מהטובות שנרשמו בקטגוריית התאים הסולאריים הדקים במיוחד מהסוג הזה.

חשיבותם של תאים אלו אינה נובעת רק מעוביים, אלא מהיותם שקופים למחצה וללא צבע. זה אומר שהם עשויים להשתלב בזכוכית ובחלונות מבלי להפוך את הבניינים לנמוכים כהים או לשנות בצורה ברורה את חזיתות הבניינים. מעשית, חלונות עשויים להפוך לחלק מהתשתית המייצרת אנרגיה, במקום להיות רק אלמנט ארכיטקטוני שמעביר אור.

למה פרופוסקיט?

התאים הסולאריים המסורתיים מתבססים לרוב על סיליקון, אך הם לרוב אינם שקופים ודורשים מרחבים ייעודיים כמו גגות או שדות סולאריים. לעומתם, תאי הפרופוסקיט מתהדרים באפשרות לייצור בדרכים פשוטות יותר ובטמפרטורות יחסית נמוכות, כמו גם יכולת להתאים את עצמם לקלוט אור באורך גל מסוימים תוך מתן אפשרות לחלק מהאור הנראה לעבור דרכם.

פרופ' ברונו אומרת שהסביבה הבנויה צורכת כ-40% מהאנרגיה העולמית, ולכן הצורך בטכנולוגיות שיכולות להפוך את גגות הבניינים עצמם למקורות אנרגיה הולך וגדל. היא רואה כי תאי הפרופוסקיט החדשים מספקים יתרון חשוב מכיוון שהם ניתנים לייצור בעבודות פשוטות יחסית, וניתן לשנות את המאפיינים האופטיים שלהם כך יישארו שקופים חלקית, עם פוטנציאל להתרחב על שטחים גדולים.

נקודה זו חשובה לערים צפופות, שבהן השטחים על גגות לא תמיד מספקים להתקנת מספר רב של פאנלים סולאריים. חזיתות זכוכית בבניינים מסחריים ומגדלים מייצגות שטח רחב אך לרוב לא מנוצל לייצור חשמל.

ביצועים באור לא ישיר

אחד היתרונות של תאי הפרופוסקיט הוא שהם יכולים לייצר חשמל גם בתנאי אור לא ישיר או מפוזר. זה עושה אותם מתאימים לסביבות עירוניות שבהן הצללים או העננים או זווית קרני השמש יכולות להגביל את היעילות של פאנלים מסורתיים, במיוחד על חזיתות אנכיות.

על פי הערכות ראשוניות שהוצגו על ידי החוקרים, אם טכנולוגיה זו תהפוך נרחבת עם שמירה על ביצועים דומים, חזית זכוכית גדולה בבניין משרדים עשויה לייצר מאות מגה-וואטים/שעה בשנה. זאת, על פי הדוגמה המופיעה במחקר, שווה לצריכת החשמל השנתית של כ-100 דירות בנות ארבעה חדרים בסינגפור, כאשר התוצאה משתנה על פי שטח הזכוכית שניתן לנצל וכיוונו של הבניין.

ייצור ללא ממיסים רעילים

כדי לייצר תאים דקים אלו, השתמשו החוקרים בשיטת ייצור הידועה בשם אידוי תרמי. בתהליך זה, מחממים את החומרים בתוך חדר ריקנות עד שהם מתאדים, ואז הם מונחים על פני שטח מסוים ליצירת שכבה דקה ואחידה. שיטה זו מסייעת לשלוט בצורה מדויקת בעובי השכבות של הפרופוסקיט, כמו גם להימנע משימוש בממסים רעילים, ומפחיתה את הפגמים בתוך התא, מה שיכול לשפר את יכולתם להמיר אור לחשמל.

הצוות מאמין שזו הפעם הראשונה שבה מייצרים תאים דקים משופעים של פרופוסקיט לחלוטין באמצעות תהליך מבוסס ריקנות. אם תהליך זה יתברר שיהיה ניתן להתרחב, הוא עשוי להתאים יותר לייצור תעשייתי רחב בהתייחס לשיטות מעבדה אחרות.

מספרי יעילות ושקיפות

החוקרים הצליחו לייצר תאים שאינם שקופים עם תאי פרופוסקיט בעוביים שונים. התאים השיגו יעילות המרה של כ-7% בעובי של 10 ננומטרים, 11% ב-30 ננומטרים, ו-12% ב-60 ננומטרים. התא שקוף למחצה עם שכבת בעובי של 60 ננומטרים, אפשר למעבר של כ-41% מהאור הנראה, עם יעילות המרה של 7.6%.

מספרים אלו אינם מעידים כי הטכנולוגיה מתחרה בפאנלים הסולאריים המסורתיים במונחים של יעילות מוחלטת, אך היא מציעה רמה של שקיפות עם ייצור חשמל מועיל. זהו מהות היישומים כמו חלונות סולאריים או חזיתות זכוכית המייצרות אנרגיה, שבהם אין אפשרות להשתמש בפאנלים כהים או שאינם שקופים בכל המקרים.

שימושים פוטנציאליים

היישום הפשוט ביותר הוא בבניינים, שכן אפשר להשתמש בתאים אלו בחלונות ובחזיתות זכוכית ובשלטי ארכיטקטורה שקשה לכסות בפאנלים סולאריים מסורתיים. עם זאת, החוקרים מציינים גם על אפשרויות נוספות, כמו חלונות לרכב או גגות זכוכית שעוזרים לטעון את הסוללה תוך כדי עמידה בשמש, או משקפי חכמים המנצלים את העדשות להנעת רכיבים אלקטרוניים קטנים.

שימושים אלו עדיין נמצאים בתחום האפשרויות המחקריות ואינם מוצרים מסחריים מוכנים. אך הם משקפים מגמה רחבה יותר באנרגיה סולארית שבה המעבר הוא משילוב פאנלים במקומות מוגדרים לשילוב מערכת ייצור חשמל בתוך החומרים והשטחים היומיומיים.

מה חסר עדיין?

למרות התוצאות המבטיחות, עדיין יש אתגרים לפני הגעה לשימוש מסחרי. פרופ' סם סטרנקס מאוניברסיטת קיימברידג' מציין כי התוצאות מציעות איזון מבטיח בין שקיפות לייצור אנרגיה, אך הבדיקות הקריטיות הבאות יהיו במבחן היציבות לאורך זמן, עמידות וביצועים על שטחים גדולים.

נקודות אלו חיוניות כי חלונות וחזיתות אינן פועלות בתוך מעבדה. הן חשופות לחום, לחות, אבק, קרני שמש, וניקוי מתמשך, ויש להן צורך בחיים ארוכים של שימוש. לכן, הצלחת התא במעבדה אינה מספיקה כדי להוכיח את יכולתו לפעול בבניין, ברכב או במכשיר נייד במשך שנים.

אוניברסיטת נאניאנג הגישה בקשה לפטנט הקשורה לפיתוח הסרטים הדקים הללו, וחוקרים מנהלים שיחות עם חברות כדי לבדוק את תהליך הייצור ולמקד אותו, תוך כל המשך העבודה על שיפור יציבות, עמידות וביצועים על שטחים נרחבים.

אנרגיה מהערים מזכוכית

מחקר זה מגיע בזמן שבו הלחצים על הערים לייצר אנרגיה נקייה הולכים ומתרקמים ללא צורך בשטחים נוספים. פאנלים סולאריים על הגגות הם חשובים, אך הם אינם מנצלים את כל השטחים הזמינים בערים עם צפיפות גבוהה. לעומת זאת, הזכוכית והחזיתות האנכיות עשויות להפוך בעתיד לקטגוריה נוספת של ייצור חשמל, אם הצליחו התאים השקופים או השקופים למחצה לעבור את אתגרי היעילות, העמידות והייצור הרחב.