הגברת האנרגיה הסולארית: חוקרי הדוכס בוחנים דרכים לשיפור לוחות

מדוע אין שימוש נרחב יותר באנרגיה סולארית? אחרי הכל, תאים פוטו-וולטאיים מייצרים חשמל מאור השמש, משאב חופשי ובעצם אינסופי.

אחת הסיבות היא שהתאים הפוטו-וולטאיים של היום אינם יעילים יחסית. הם מוציאים רק כרבע מהאנרגיה שהם לוקחים מהשמש. אם ניתן היה לשפר את היעילות הזו, פאנלים סולאריים יכולים לתפוס פחות נדל"ן תוך שאיבה של יותר חשמל.

"בסופו של יום, יעילות היא האתגר באנרגיה סולארית", אומר אדריאן סטיף-רוברטס, דוקטורט, שהוא פרופסור ג'פרי נ. ויניק להנדסת חשמל ומחשבים. "אם תאים סולאריים יעילים יותר, אז הטכנולוגיה היא זולה יותר [ליחידת חשמל מיוצרת] ואתה מדבר על אנרגיה מתחדשת שהיא תחליף למקורות אנרגיה מבוססי פחמן".

ב-Duke, Stiff-Roberts ועמיתיה עובדים על טכנולוגיה פוטו-וולטאית חדשה שיכולה יום אחד ללכוד יותר אנרגיה מאור השמש.

אחת הדרכים להגביר את היעילות של תאים סולאריים היא לשנות את ההרכב הכימי שלהם. תאים סולאריים נוכחיים משתמשים בסיליקון, יסוד אנאורגני שעמיד לאורך זמן, מצוין בהעברת מטענים חשמליים ומשביע רצון בקליטת אנרגיית אור. מולקולות אורגניות מסוימות, לעומת זאת, מעולות בקליטת אנרגיית אור, אך יכולות להתפרק במהירות בנוכחות לחות וחמצן.

היתרונות של מולקולות אורגניות חורגים מתכונות קליטת האור שלהן. "כימאי אורגני יכול לעצב מולקולות אורגניות שיש להן כל מיני פונקציות", אומר סטיף-רוברטס. "הם יכולים להיות גמישים."

שילוב של תרכובות אנאורגניות ואורגניות לתא סולארי אחד, אומר סטיף-רוברטס, יכול להציע "הטוב משני העולמות". אבל העבודה עם חומרים היברידיים מסוג זה אינה קלה.

ראשית, החומר ההיברידי חייב להיות מופקד כסרט, בעובי ננומטר, שמתפקד כמוליך למחצה. מוליכים למחצה של סרט דק כבר נמצאים בכל מקום במכשירים שאנו משתמשים בהם מדי יום, כמו טלפונים סלולריים, מחשבים וטלוויזיות. אבל לעתים קרובות אותם מוליכים למחצה עשויים ממינרלים אנאורגניים. הטכניקה שבה הם מופקדים בסרטים דקים לא עובדת עבור תרכובות אורגניות.

ישנן דרכים להפקיד מולקולות אורגניות בסרט דק, אבל או שהן פועלות רק עבור מולקולות אורגניות קטנות או שהן מאותגרות להפקיד שכבות מרובות הנדרשות לתאי שמש.

כעת, Stiff-Roberts והצוות שלה פיתחו והדגימו טכניקה להפקדת חומרים היברידיים העשויים מתרכובות אורגניות וגדולות כאחד. "הקבוצה שלי תרמה גישה חדשנית ששונה במהותה ממה שכולם עשו", היא אומרת.

"התצהיר שלנו עדין מאוד. [המולקולה האורגנית] מועברת ממקור למצע ללא שינוי."

Stiff-Roberts קרא תיגר על תהליכים מסורתיים על ידי יצירת אמולסיה (תחשוב על שמן וחומץ) עם המולקולות האורגניות תלויות כמו טיפות שמן במים. זה מגן על המולקולות הגדולות מפני שבירה במהלך השקיעה.

לאחרונה היא זכתה ב-$1 מיליון מהקרן הלאומית למדע כעמיתת BRITE כדי לחקור את ההיתכנות להגדיל את הטכניקה המבוססת על המעבדה שלה להצבת סרט דק של חומרים היברידיים כדי להפוך אותם לכדאיים מסחרית לייצור.

אחד החומרים ההיברידיים המבטיחים ביותר שחוקרים סולאריים רודפים אחריו הוא פרוסקיט, מינרל טבעי שעבר מניפולציות כדי לקבל מולקולות אורגניות לתוך המבנה הגבישי שלו. המולקולות האורגניות כלואות בסריג הגבישי כמו חמאה בבארות של וופל.

היעילות של תאים סולאריים היברידיים פרוסקיט ניסיוני גדלה בצעדי ענק בעשור האחרון, והשתפרה הרבה יותר מהר מאשר טכנולוגיות סולאריות ניסיוניות קונבנציונליות ואחרות. "זה דרבן את כל סוגי ההשקעות והמחקר במרחב הזה", אומרת סטיף-רוברטס, שכבר הוכיחה שהטכניקה שלה עובדת עם פרוסקיטים היברידיים של סרט דק.

סטיף-רוברטס משתפת פעולה הדוק עם עמיתים להנדסה של דיוק, כולל התיאורטיקן וולקר בלום, פרופסור חבר להנדסת מכונות ומדעי החומרים, ומעצב החומרים דיוויד מיצי, פרופסור משפחת סיימון להנדסת מכונות ומדעי החומרים באוניברסיטת דיוק.

השלושה הם חלק ממרכז לאומי, הממומן על ידי משרד האנרגיה ומרכזו במעבדה הלאומית לאנרגיה מתחדשת, החוקר את התכונות הבסיסיות של פרוסקיטים וחומרים היברידיים אחרים.

"יש הרבה על החומרים האלה שאנחנו לא מבינים", אומר סטיף-רוברטס, "ואם אתה לא מבין את החומר, אתה לא יכול לשפר אותו או לשלוט בו כדי ליצור מכשירים טובים יותר."

עם זאת, יצירת מכשיר טוב יותר היא רק הצעד הראשון. סטיף-רוברטס אומר שמעבר מדלקים מאובנים לחומרים מתחדשים ידרוש מעורבות ממגוון דיסציפלינות - לא רק מדע והנדסה, אלא הכל ממדיניות ועד כלכלה. היא מוצאת שסטודנטים לתואר ראשון ולתואר שני של דיוק צוללים לתוך הבעיות האלה בהתלהבות, לעתים קרובות במסגרות רב-תחומיות, כמו צוותי Bass Connections ברחבי הקמפוס או במכון ניקולס לאנרגיה, סביבה וקיימות.

"אם אתה רוצה לפתור בעיות אנרגיה מתחדשת", היא אומרת, "הכל קשור. ולדיוק יש מומחיות בכל ההיבטים הרחבים האלה. זה המקום שבו לדייק יש משהו ייחודי להציע."

(ג) אוניברסיטת דיוק

מקור המאמר המקורי: WRAL TechWire