גורם המפתח באנרגיה הסולארית הוא מחיר התאים הסולאריים אל מול מידת היכולת שלהם להפיק כמות מקסימלית של אנרגיה. כמו בתעשיית האלקטרוניקה, גם בתעשיית התאים הפוטו-וולטאיים (סולאריים), המחיר לצרכן, שאליו שואפת הטכנולוגיה בטווח הארוך, מורכב ברובו ממחירו של חומר הגלם. בשנים הראשונות של המוצר, תהליך הייצור מהווה חלק נכבד מהעלות, ולאחר כמה שנים, כאשר הטכנולוגיה "בשלה", עלות הייצור דועכת בצורה משמעותית ואנחנו נשארים עם מחיר שמורכב ברובו ממחיר חומר הגלם. כל טכנולוגיה חדשה שנבחנת במרוצת הזמן מתנהגת בצורה כזאת. לכן, אין סיבה להניח שהתעשייה הסולארית לא הולכת באותו כיוון.

נוסף על כך, סביר להניח שבסופו של דבר, המפתח למחיר הנמוך ביותר יהיה בתאים שיתפסו שטח נמוך ככל האפשר, כי הם התאים שגם יכילו הכי פחות חומר גלם.

שלושת הדורות

רוב התאים הסולאריים הנמכרים כיום הם תאים מבוססי מצע סיליקון, ונקרא להם תאי דור ראשון. במרוצת השנים, טכנולוגיה זו התבגרה ומחיר המערכת הכוללת הפך להיות תלוי יותר במחיר חומר הגלם (סיליקון ומתכות) ופחות בעלות הייצור.

מתחילת שנות ה-80 של המאה ה-20 התקדמה התעשייה לעבר מה שנקרא "תאי דור שני", אשר ידועים יותר בשמם "התאים הדקים" (thin films). לצורך הייצור שלהם יש צורך בפחות חומר גלם מאשר בתאי דור ראשון.

תאים אלה היו בתחילת הדרך בעלי נצילות נמוכה, אך עם הזמן עלתה הנצילות, וכיום מדובר באחוזי נצילות משמעותיים, קרובים למה שאפשר לקבל מתאים סולאריים מבוססי סיליקון, כשהשימוש בחומר גלם הוא קטן בהרבה.

אז איך אפשר להתקדם?

דרך אחת להתקדם הלאה היא על ידי העלאת הנצילות של התאים הסולאריים בצורה משמעותית. בתאוריה, הנצילות המרבית של תאים סולאריים היא 95%, וכיום אנחנו רחוקים מאוד ממספר זה בתאי הדור הראשון. הנצילות המרבית של תאי סיליקון היא בסביבות 31%, וגם מהמספר הזה אנחנו רחוקים כיום. התאים שמוכרים לנו היום הם בעלי נצילות של פחות מ-20%.

אפשר להבין ולהעריך שהנצילות של התאים הסולאריים יכולה לקפוץ בצורה משמעותית לפּיּ שניים עד שלושה ואף יותר מהנצילויות הקיימות כיום. לשם הגעה לנצילויות כאלה, טכנולוגיות ומדע חדש לגמרי צריכים להיבנות. אם בטווח הרחוק גם מחיר התאים הסולאריים האלה יורכב ברובו ממחיר חומר הגלם, אז נוכל ליצור מקור אנרגיה חלופי זול כל כך שזו תהיה תחילתה של תקופה חדשה. בואו נקרא לתאי העתיד האלה – תאי דור שלישי.

המחיר הקונוונציונלי היום של תאי דור ראשון, כאלה שתקבלו אם תתקינו על גג הבית שלכם, הוא כ-7.5 דולר לוואט (ללא סובסידיות ממשלתיות). המחיר הפוטנציאלי של תאי הדור הראשון יכול לרדת עד לכ-3.5 דולר לוואט. המחיר של תאים סולאריים דור שני יכול לרדת לכחצי דולר עד דולר אחד לוואט, ולתאי הדור השלישי פוטנציאל להורדת המחיר עד לפחות מ-20 סנט לוואט. רק לשם השוואה, המחיר לוואט של תחנת כוח מבוססת פחם מוערך היום ב-2.1 דולר לוואט.

כל המחירים המוזכרים בפסקה הקודמת הם מחירי התאים עצמם ללא עלויות הרכבה, שנאים ואמצעי אגירה (בטריות ומצברים למשל) שמותקנים בחלק מהמערכות. גם מחירם של כל הפרמטרים האלה ילך ויקטן במרוצת השנים. אך גם ללא ירידה משמעותית, במחיר של 20 סנט לוואט, שנוספת עליו תוספת כלשהי – התפיסה שלנו את נושא צריכת האנרגיה לבטח תשתנה כאשר יהיה מחיר החשמל 5% ממחירו כיום, ועדיין לא הזכרתי את הפסקת הזיהום, ביטול התלות בנפט וכולי.

האם אפשר לייצר תאי דור שלישי?

האם יש בכלל רעיונות איך אפשר לייצר תאי דור שני (כלומר תאים דקים) בטכנולוגיות חדשות שיקפיצו את הנצילות? למעשה, העתיד נראה די ורוד אם מסתכלים על הפיתוחים שעומדים בפתח בתחום מדע החומרים.

למעשה כבר כיום קיימים תאים סולאריים, הנקראים תאים רב-צמתיים (tandem cells), שמגיעים לנצילויות של 40% ומעלה. השיטה בתאים אלה היא יצירת ערימה של כמה תאים בעלי מאפיינים שונים של בליעת אור השמש האחד על האחר, ועל ידי כך העלאת הנצילות באופן משמעותי.

הבעיה בתאים אלה הוא המחיר כמובן. תהליך הייצור הוא מסובך מאוד, ואלה אף לא תאי דור שני, מכיוון שהם מכילים כמות חומר גדולה. התאים האלה משמשים בעיקר בלוויינים, שבהם המחיר לא מהווה גורם, ובמערכות ריכוז קרינה – האוספות את אור השמש משטח גדול ומרכזות אותו על שטח קטן. אמנם מחיר התא הרב-צמתי הוא יקר, אך היות שמשתמשים בתא קטן, הממיר כמות אור גדולה ובנצילות גבוהה, יש היגיון בשימוש בתאים יקרים כאלה. גם למערכות כאלה יש בעיות רבות וקצרה היריעה מלהרחיב עליהן כאן.

אז הראינו שאפשר להשיג נצילויות גבוהות, אבל אנחנו רוצים גם נצילות גבוהה וגם שימוש בכמה שפחות חומר. קבוצות רבות ברחבי העולם עובדות על פיתוח חומרים כאלה.

הנה כמה דוגמאות:

1. כמה רמות בליעה בחומר אחד
בתאים הרב-צמתיים נעשה שימוש בכמה תאים, כל תא לוקח חלק אחר מספקטרום השמש. הרעיון החדש הוא להשתמש בחומר אחד ולגרום לו להתנהג כמו כמה חומרים, וכך הוא ידע להשתמש באור השמש בצורה טובה יותר.

2. יצירת כמה אלקטרונים לכל פוטון
בתאים הסולאריים הסטנדרטיים, כל פוטון (אנרגיית חלקיקי השמש) יוצר אלקטרון אחד בתוך התא הסולארי. מספר האלקטרונים משפיע בסופו של דבר על הנצילות של התא. הרעיון החדש הוא לגרום לפוטון בודד ליצור כמה אלקטרונים, ועל ידי כך להעלות את הנצילות בצורה משמעותית.

3. אלקטרונים חמים
כשאלקטרון נוצר בתוך החומר מפוטון בעל כמות אנרגיה גדולה, חלק מהאנרגיה של האלקטרון מיתרגמת בסופו של דבר לחשמל וחלק אובדת בחום. תהליך איבוד החום הוא תהליך מהיר מאוד (thermalization), והרעיון החדש הוא להשתמש באלקטרון החם לפני שהוא מספיק להתקרר, ועל ידי כך להרוויח עוד אנרגיה, שאחרת פשוט מתבזבזת לחום.

רוני פוזנר, חבר קואופרטיב, דוקטורנט בטכניון בתוכנית האנרגיה. תחום המחקר: תאים סולאריים דור שלישי

Photo by Walmart Stores, cc