מקור: www.energy.gov
כאשר אור זורח על תא פוטו -וולטאי (PV) - הנקרא גם תא סולארי - אור זה עשוי להשתקף, להיספג או לעבור דרך התא. תא ה- PV מורכב מחומר מוליך למחצה; ה"מחצה "פירושה שהוא יכול להוביל חשמל טוב יותר מאשר מבודד אך לא כמו גם מוליך טוב כמו מתכת. ישנם מספר חומרים מוליכים למחצה שונים המשמשים בתאי PV.
כאשר המוליך למחצה נחשף לאור, הוא סופג את אנרגיית האור ומעביר אותה לחלקיקים טעונים שלילית בחומר הנקרא אלקטרונים. אנרגיה נוספת זו מאפשרת לאלקטרונים לזרום דרך החומר כזרם חשמלי. זרם זה מופק באמצעות מגעי מתכת מוליכים-הקווים דמויי רשת על תאים סולאריים-ולאחר מכן ניתן להשתמש בו כדי להפעיל את הבית ואת שאר הרשת החשמלית.
היעילות של תא PV היא פשוט כמות הכוח החשמלי היוצא מהתא בהשוואה לאנרגיה מהאור הזורח עליו, מה שמעיד עד כמה התא יעיל בהמרת אנרגיה מצורה אחת לאחרת. כמות החשמל המיוצרת מתאי PV תלויה במאפיינים (כגון עוצמה ואורכי גל) של האור הזמין ותכונות הביצועים המרובות של התא.
מאפיין חשוב של מוליכים למחצה PV הוא רווח הפס, המציין אילו אורכי גל של האור החומר יכול לספוג ולהמיר לאנרגיה חשמלית. אם רצועת הפס של המוליך למחצה תואמת את אורכי הגל של האור הזורח על תא ה- PV, התא הזה יכול להשתמש ביעילות בכל האנרגיה הזמינה.
למידע נוסף להלן אודות החומרים המוליכים למחצה הנפוצים ביותר לתאי PV.
סִילִיקוֹן
סיליקון, ללא ספק, החומר המוליך למחצה הנפוץ ביותר המשמש בתאים סולאריים, המהווה כ -95% מהמודולים הנמכרים היום. זהו גם החומר השני בשפע בכדור הארץ (אחרי חמצן) והמוליך למחצה הנפוץ ביותר המשמש בשבבי מחשב. תאי סיליקון גבישי עשויים אטומי סיליקון המחוברים זה לזה ליצירת סריג קריסטל. סריג זה מספק מבנה מאורגן שהופך את הפיכת האור לחשמל ליעיל יותר.
תאים סולאריים העשויים מסיליקון מספקים כיום שילוב של יעילות גבוהה, עלות נמוכה ואורך חיים ארוך. המודולים צפויים להחזיק מעמד במשך 25 שנים או יותר, ועדיין להפיק יותר מ -80% מכוחם המקורי לאחר תקופה זו.
צילומי דק-סרטים
תא סולארי דק נוצר על ידי הפקדת שכבה דקה אחת או יותר של חומר PV על חומר תומך כגון זכוכית, פלסטיק או מתכת. ישנם שני סוגים עיקריים של מוליכים למחצה PV-סרטים דקים בשוק כיום: קדמיום טלוריד (CdTe) וכוס אינדיום גליום דיסליניד (CIGS). ניתן להפקיד את שני החומרים ישירות על החלק הקדמי או האחורי של משטח המודול.
CdTe הוא חומר ה- PV השני בשכיחותו לאחר הסיליקון, וניתן לייצר תאי CdTe באמצעות תהליכי ייצור בעלות נמוכה. למרות שזה הופך אותם לאלטרנטיבה חסכונית, היעילות שלהם עדיין לא גבוהה כמו סיליקון. לתאי CIGS יש תכונות אופטימליות לחומר PV ויעילות גבוהה במעבדה, אך המורכבות הכרוכה בשילוב ארבעה אלמנטים הופכת את המעבר ממעבדה לייצור למאתגרת יותר. הן CdTe והן CIGS דורשים הגנה רבה יותר מאשר סיליקון כדי לאפשר פעולה לאורך זמן בחוץ.
PEROVSKITE PHOTOVOLTAICS
תאים Perovskitesolar הם סוג של תא בעל סרט דק ונקראים על שם מבנה הגביש האופייני להם. תאי Perovskite בנויים עם שכבות של חומרים המודפסים, מצופים או מופקדים בוואקום על שכבת תמיכה בסיסית, המכונהמצע.הם בדרך כלל קלים להרכבה ויכולים להגיע ליעילות הדומה לסיליקון גבישי. במעבדה, יעילות תאי השמש של perovskite השתפרה מהר יותר מכל חומר PV אחר, מ -3% בשנת 2009 ליותר מ -25% בשנת 2020. כדי להיות כדיים מבחינה מסחרית, תאי PV perovskite צריכים להיות יציבים מספיק כדי לשרוד 20 שנה בחוץ, כך שחוקרים עובדים על הפיכתם לעמידים יותר ולפיתוח טכניקות ייצור בהיקפים גדולים ובעלות נמוכה.
צילום אורגני
תאים PV אורגניים, או OPV, מורכבים מתרכובות עשירות בפחמן (אורגניות) וניתנות להתאמה כדי לשפר פונקציה ספציפית של תא ה- PV, כגון פסי פס, שקיפות או צבע. תאי OPV כיום יעילים בכמחצית בלבד מתאי סיליקון גבישי ובעלי אורך חיים קצר יותר, אך ייצורם עשוי להיות פחות יקר בהיקפים גבוהים. הם יכולים להיות מיושמים גם על מגוון חומרים תומכים, כגון פלסטיק גמיש, מה שהופך את OPV מסוגל לשרת מגוון רחב של שימושים.
נקודות כמות
תאים סולאריים נקודתיים מוליכים חשמל דרך חלקיקים זעירים של חומרים מוליכים למחצה שונים ברוחב של כמה ננומטרים בלבד, הנקראים נקודות קוונטיות. נקודות קוונטיות מספקות דרך חדשה לעבד חומרים של מוליכים למחצה, אך קשה ליצור חיבור חשמלי ביניהן, כך שהן כרגע אינן יעילות במיוחד. עם זאת, קל להפוך אותם לתאים סולאריים. ניתן להפקיד אותם על גבי תשתית באמצעות שיטת ספין-מעיל, תרסיס או מדפסות גליל-לגליל כמו אלה המשמשות להדפסת עיתונים.
נקודות קוונטיות מגיעות בגדלים שונים ופערי הפס שלהן ניתנים להתאמה אישית, ומאפשרים להם לאסוף אור שקשה ללכוד ולצמד אותו עם מוליכים למחצה אחרים, כמו perovskites, כדי לייעל את הביצועים של תא סולארי רב תכליתי (עוד על אלה בהמשך).
צילום רב -יווני
אסטרטגיה נוספת לשיפור יעילות תאי PV היא שכבת מוליכים למחצה מרובים לתאים סולאריים מרובי פונקציות. תאים אלה הם בעצם ערימות של חומרים מוליכים למחצה שונים, בניגוד לתאים בצומת יחיד, שיש להם רק מוליך למחצה אחד. לכל שכבה יש רווח פס שונה, כך שכל אחת מהן סופגת חלק אחר של הספקטרום הסולארי, ועושה שימוש רב יותר באור השמש מאשר בתאים בצומת יחיד. תאים סולאריים רב תכליתיים יכולים להגיע לרמות יעילות שיא מכיוון שהאור שאינו נספג בשכבת המוליכים למחצה הראשונה נלכד על ידי שכבה מתחתיו.
בעוד שכל התאים הסולאריים עם יותר מפס פס אחד הם תאים סולאריים רב -פונקציונליים, תא סולארי עם שני פערים בדיוק נקרא תא סולארי טנדם. תאים סולאריים רב-תכליתיים המשלבים מוליכים למחצה מעמודות III ו- V בטבלה התקופתית הנקראת תאים סולאריים III-V רב-פונקציונליים.
תאים סולאריים רב תכליתיים הראו יעילות גבוהה מ- 45%, אך הם יקרים וקשים לייצור, ולכן הם שמורים לחקר החלל. הצבא משתמש בתאים סולאריים III-V במזל"טים, וחוקרים חוקרים שימושים אחרים עבורם בהם יעילות גבוהה היא המפתח.
ריכוז צילומים
ריכוז PV, המכונה גם CPV, ממקד את אור השמש לתא סולארי באמצעות מראה או עדשה. על ידי מיקוד אור השמש על שטח קטן, נדרש פחות חומר PV. חומרי PV הופכים ליעילים יותר ככל שהאור מתרכז יותר, כך שהיעילות הכוללת הגבוהה ביותר מתקבלת עם תאים ומודולים של CPV. עם זאת, חומרים יקרים יותר, טכניקות ייצור ויכולת לעקוב אחר תנועת השמש נדרשים, כך שהדגמת יתרון העלות הדרוש ביחס למודולי הסיליקון בנפח גבוה של היום&הפכה למאתגרת.
