איך מייצרים חשמל מהשמש?

אור השמש (וכל אור) מכיל אנרגיה

בדרך כלל, כאשר האור פוגע באובייקט האנרגיה הופכת לחום, כמו החמימות שאתה מרגיש בזמן ישיבה בשמש. אבל כאשר האור פוגע בחומרים מסוימים, האנרגיה הופכת לזרם חשמלי במקום, שאותו נוכל לרתום לכוח. טכנולוגיה סולארית של פעם משתמשת בגבישים גדולים העשויים מסיליקון, אשר מייצר זרם חשמלי כאשר נפגע מאור. הסיליקון יכול לעשות זאת מכיוון שהאלקטרונים בגביש קמים וזזים כאשר הם נחשפים לאור במקום רק לנענע במקום כדי ליצור חום. הסיליקון הופך חלק ניכר מאנרגיית האור לחשמל, אך הוא יקר מכיוון שקשה לגדל גבישים גדולים.

חומרים חדשים יותר משתמשים בגבישים קטנים וזולים יותר, כגון נחושת-אינדיום-גליום-סלניד, שניתן לעצב אותם לסרטים גמישים. עם זאת, הטכנולוגיה הסולארית "הסרט הדק" הזו אינה טובה כמו סיליקון בהפיכת אור לחשמל. נכון לעכשיו, אנרגיה סולארית בישראל מהווה רק חלק זעיר מכלל ייצור החשמל, מכיוון שהיא יקרה יותר מאלטרנטיבות כמו פחם זול אך מזהם מאוד. כדי להחליף דלקים מאובנים, מדענים צריכים לפתח חומרים שניתן לייצר אותם בקלות ולהמיר מספיק אור שמש לחשמל כדי להיות שווה את ההשקעה.

ביקשנו מסגן מנהל המעבדה במעבדה הלאומית של ברקלי בקליפורניה ומנהיג פרויקט מחקר האנרגיה הסולארית של הליוס שלהם, להסביר כיצד אנשים לוכדים אנרגיה מאור השמש וכיצד אנו יכולים לעשות זאת טוב יותר.

מהו תא סולארי?

תא סולארי הוא מוצר שלוקח את האנרגיה של אור השמש וממיר אותו לחשמל.

איך תא סולארי הופך את אור השמש לחשמל?

בגביש, הקשרים (בין אטומי הסיליקון) עשויים מאלקטרונים המשותפים בין כל האטומים של הגביש. האור נספג, ואחד האלקטרונים שנמצא באחד מהקשרים מתרגש עד לרמת אנרגיה גבוהה יותר ויכול לנוע בחופשיות רבה יותר מאשר כשהיא נקשר. האלקטרון הזה יכול אז לנוע סביב הגביש בחופשיות, ונוכל לקבל זרם.

תארו לעצמכם שיש לכם מדף, כמו מדף על הקיר, ואתם לוקחים כדור וזורקים אותו על המדף הזה. זה כמו לקדם אלקטרון לרמת אנרגיה גבוהה יותר, והוא לא יכול ליפול למטה. פוטון (חבילת אנרגיית אור) נכנסת פנימה, והיא חוטפת את האלקטרון אל המדף (המייצג את רמת האנרגיה הגבוה) והוא נשאר שם עד שנוכל לבוא ולאסוף את האנרגיה (על ידי שימוש בחשמל).

מה ההבדל הגדול ביותר בין האופן שבו צמח לוכד אנרגיית אור לבין האופן שבו אנו עושים זאת עם תאים סולאריים?

היינו רוצים שנוכל לעשות מה שצמחים עושים כי צמחים סופגים את האור, והם משתמשים באלקטרון הזה כדי לשנות קשר כימי בתוך הצמח כדי ליצור דלק.

האם תוכל לעשות פוטוסינתזה מלאכותית ולדמות צמח?

נשמח להיות מסוגלים לייצר תא סולארי שבמקום לייצר חשמל מייצר דלק. זו תהיה התקדמות גדולה מאוד. זה נושא מאוד פעיל כרגע בקרב חוקרים, אבל קשה לחזות מתי נוכל להשתמש בו. אחת הסיבות שאנחנו אוהבים לשתול עצים היא בגלל שהם מוציאים את ה-CO2 מהאוויר. אם היינו יכולים לעשות את זה עם תא סולארי, אז היינו יכולים להתמודד עם בעיות התחממות כדור הארץ אפילו יותר באופן ישיר כי היינו שולפים את ה-CO2 מהאוויר כדי לייצר את הדלק שלנו.

עד כמה תאים סולאריים נוכחיים טובים בללכוד אנרגיית אור?

אז אנחנו יכולים לדבר על יעילות החשמל. יעילות ההספק של תא סיליקון גבישי טיפוסי היא בטווח של 22 עד 23 אחוזים, כלומר הם ממירים עד 23 אחוז מהאור הפוגע בהם לחשמל. אלה שבדרך כלל תוכל להרשות לעצמך לשים פאנלים עם הספק נמוך יותר, איפשהו בין 15 ל-18 אחוזים. היעילים ביותר, כמו אלה שעוברים על לוויינים, עשויים להיות בעלי יעילות חשמל המתקרבת ל-50 אחוז.

יעילות החשמל היא מדד אחד, אבל הדבר השני שאנחנו מאוד מודאגים ממנו הוא עלות ייצורם והיקף הייצור. לדעתי, טכנולוגיית הסיליקון לא מתרחבת מדי, כי היא יקרה לייצור. אנחנו צריכים להמציא איזו טכנולוגיה חדשה, אולי לא כל כך יעילה, אבל אתה צריך להיות מסוגל לעשות מיליוני דונמים של דברים אם אתה רוצה לקבל הרבה אנרגיה. אנשים מנסים להשתמש בחומרים חדשים כמו פלסטיק וננו-חלקיקים.

סך הייצור הסולארי בשנת 2022 הייתה בסביבות 10% מצריכת החשמל בישראל. משהו חייב להשתנות. אנחנו עוד לא שם. יש עוד הרבה תגליות שצריך לעשות.