דיון קצר על סוגי התאים הסולאריים

אנרגיה סולארית הייתה פעם נחלתם של חלליות מתקדמות וכמה גאדג'טים מפוארים, אבל זה כבר לא המקרה. במהלך העשור האחרון, אנרגיה סולארית הפכה ממקור אנרגיה נישה לעמוד עיקרי בנוף האנרגיה העולמי.

כדור הארץ חשוף ברציפות לכ-173,000 TW של קרינת שמש, שהם יותר מפי עשרה מהביקוש הממוצע לחשמל העולמי.

[1] המשמעות היא שלאנרגיה סולארית יש את היכולת לענות על כל צרכי האנרגיה שלנו.

במחצית הראשונה של 2023, ייצור חשמל סולארי היווה 5.77% מכלל ייצור החשמל בארה"ב, לעומת 4.95% ב-2022.

[2] למרות שדלקים מאובנים (בעיקר גז טבעי ופחם) יהוו עד 60.4% מייצור החשמל בארה"ב בשנת 2022,

[3] אבל ההשפעה הגוברת של אנרגיית השמש והפיתוח המהיר של טכנולוגיית האנרגיה הסולארית ראויים לתשומת לב.

 

סוגי תאים סולאריים

 

נכון לעכשיו, קיימות שלוש קטגוריות עיקריות של תאים סולאריים (הידועים גם כתאים פוטו-וולטאיים (PV)) בשוק: גבישי, סרט דק וטכנולוגיות מתפתחות. לשלושת סוגי הסוללות הללו יש יתרונות משלהם מבחינת יעילות, עלות ותוחלת חיים.

 

01 קריסטל

רוב הפאנלים הסולאריים על הגג הביתיים עשויים מסיליקון חד-גבישי בטוהר גבוה. מצבר מסוג זה השיג בשנים האחרונות יעילות של יותר מ-26% וחיי שירות של יותר מ-30 שנה.

[4] היעילות הנוכחית של פאנלים סולאריים ביתיים היא כ-22%.

 

סיליקון פולי-גבישי עולה פחות מסיליקון חד-גבישי, אך הוא פחות יעיל ובעל אורך חיים קצר יותר. יעילות נמוכה יותר פירושה יותר פאנלים ויותר שטח נחוצים.

 

תאים סולאריים מבוסס על טכנולוגיית גליום ארסניד רב-צומת (GaAs) יעילים יותר מתאי שמש מסורתיים. לתאים אלו מבנה רב-שכבתי, וכל שכבה משתמשת בחומר אחר, כגון אינדיום גליום פוספיד (GaInP), אינדיום גליום ארסניד (InGaAs) וגרמניום (Ge), כדי לספוג אורכי גל שונים של אור השמש. למרות שתאים מרובי צמתים אלו צפויים להשיג יעילות גבוהה, הם עדיין סובלים מעלויות ייצור גבוהות וממחקר ופיתוח לא בשלים, מה שמגביל את ההיתכנות המסחרית ואת היישומים המעשיים שלהם.

 

סרט 02

הזרם המרכזי של מוצרים פוטו-וולטאיים סרט דק בשוק העולמי הוא מודולים פוטו-וולטאיים של קדמיום טלורייד (CdTe). מיליוני מודולים כאלה הותקנו ברחבי העולם, עם קיבולת ייצור חשמל שיא של יותר מ-30GW. הם משמשים בעיקר לייצור חשמל בקנה מידה שירות בארצות הברית. בית חרושת.

 

בטכנולוגיית הסרט הדק הזה, מודול סולארי בגודל 1 מ"ר מכיל פחות קדמיום מאשר סוללת ניקל-קדמיום (Ni-Cd) בגודל AAA. בנוסף, הקדמיום במודולים סולאריים קשור לטלוריום, שאינו מסיס במים ונשאר יציב בטמפרטורות גבוהות עד 1,200 מעלות צלזיוס. גורמים אלה מפחיתים את הסכנות הרעילות של שימוש בקדמיום טלוריד בסוללות סרט דק.

 

תכולת הטלוריום בקרום כדור הארץ היא רק 0.001 חלקים למיליון. בדיוק כמו שפלטינה היא יסוד נדיר, נדירותו של הטלוריום יכולה להשפיע באופן משמעותי על העלות של מודול קדמיום טלוריד. עם זאת, ניתן להקל על בעיה זו באמצעות שיטות מיחזור.

היעילות של מודולי קדמיום טלוריד יכולה להגיע ל-18.6%, ויעילות הסוללה בסביבת מעבדה יכולה לעלות על 22%. [5] שימוש בסימום ארסן להחלפת סימום נחושת, שנמצא בשימוש זמן רב, יכול לשפר מאוד את חיי המודול ולהגיע לרמה הדומה לסוללות קריסטל.

 

03טכנולוגיות מתעוררות

 

טכנולוגיות פוטו-וולטאיות מתפתחות המשתמשות בסרטים דקים במיוחד (פחות מ-1 מיקרון) וטכניקות שיקוע ישיר יפחיתו את עלויות הייצור ויספקו מוליכים למחצה באיכות גבוהה לתאים סולאריים. טכנולוגיות אלו צפויות להפוך למתחרות לחומרים מבוססים כמו סיליקון, קדמיום טלוריד וגליום ארסניד.

 

[6] קיימות שלוש טכנולוגיות סרט דק ידועות בתחום זה: נחושת אבץ בדיל גופרתי (Cu2ZnSnS4 או CZTS), אבץ פוספיד (Zn3P2) וננו-צינורות פחמן חד-דופן (SWCNT). במסגרת מעבדה, תאים סולאריים מסוג נחושת אינדיום גליום סלניד (CIGS) הגיעו ליעילות שיא מרשימה של 22.4%. עם זאת, שכפול רמות יעילות כאלה בקנה מידה מסחרי נותר אתגר.

[7]תאי סרט דק עופרת הליד פרוסקיט הם טכנולוגיה סולארית מתפתחת אטרקטיבית. פרוסקיט הוא סוג של חומר בעל מבנה גבישי טיפוסי של הנוסחה הכימית ABX3. זהו מינרל צהוב, חום או שחור שהמרכיב העיקרי שלו הוא סידן טיטנאט (CaTiO3). תאים סולאריים טנדם פרוסקיט מבוססי סיליקון בקנה מידה מסחרי המיוצר על ידי חברת אוקספורד PV הבריטית השיגו יעילות שיא של 28.6% וייכנסו לייצור השנה.

[8]בתוך שנים ספורות בלבד, תאים סולאריים פרוסקיט השיגו יעילות דומה לאלו של תאי סרט דק קדמיום טלוריד קיימים. במחקר ופיתוח מוקדם של סוללות פרוסקיט, תוחלת החיים הייתה בעיה גדולה, כל כך קצרה שאפשר היה לחשב אותה רק בחודשים.

כיום, לתאי פרוסקיט יש חיי שירות של 25 שנים או יותר. נכון להיום, היתרונות של תאים סולאריים פרוסקיט הם יעילות המרה גבוהה (יותר מ-25%), עלויות ייצור נמוכות וטמפרטורות נמוכות הנדרשות לתהליך הייצור.

 

בניית פאנלים סולאריים משולבים

 

תאים סולאריים מסוימים מתוכננים ללכוד רק חלק מהספקטרום הסולארי תוך מתן אפשרות לאור הנראה לעבור דרכו. תאים שקופים אלו נקראים תאים סולאריים בעלי רגישות צבע (DSC) והם נולדו בשוויץ בשנת 1991. תוצאות מו"פ חדשות בשנים האחרונות שיפרו את היעילות של DSCs, וייתכן שלא יעבור זמן רב עד שהפאנלים הסולאריים הללו יהיו בשוק.

 

חברות מסוימות מחדירות ננו-חלקיקים אנאורגניים לשכבות פוליקרבונט של זכוכית. הננו-חלקיקים בטכנולוגיה זו מעבירים חלקים ספציפיים של הספקטרום לקצה הזכוכית, ומאפשרים לרוב הספקטרום לעבור דרכו. האור המרוכז בקצה הזכוכית נרתם על ידי תאים סולאריים. כמו כן, נבחנת כיום טכנולוגיה ליישום חומרי סרט דק פרוסקיט על חלונות סולאריים שקופים ובניית קירות חיצוניים.

 

חומרי גלם הדרושים לאנרגיה סולארית

כדי להגביר את ייצור החשמל הסולארי, יגדל הדרישה לכרייה של חומרי גלם חשובים כמו סיליקון, כסף, נחושת ואלומיניום. משרד האנרגיה של ארה"ב קובע שכ-12% מהסיליקון המתכותי בעולם (MGS) מעובד לפוליסיליקון עבור פאנלים סולאריים.

 

סין היא שחקנית מרכזית בתחום זה, והיא מייצרת כ-70% מה-MGS בעולם ו-77% מאספקת הפוליסיליקון שלה ב-2020.

 

תהליך המרת הסיליקון לפוליסיליקון דורש טמפרטורות גבוהות מאוד. בסין, האנרגיה לתהליכים אלו מגיעה בעיקר מפחם. לשינג'יאנג יש משאבי פחם בשפע ועלויות חשמל נמוכות, וייצור הפוליסיליקון שלה מהווה 45% מהייצור העולמי.

 

[12]ייצור פאנלים סולאריים צורך כ-10% מהכסף בעולם. כריית כסף מתרחשת בעיקר במקסיקו, סין, פרו, צ'ילה, אוסטרליה, רוסיה ופולין ועלולה להוביל לבעיות כמו זיהום מתכות כבדות והעברה כפויה של קהילות מקומיות.

 

גם כריית נחושת ואלומיניום מציבה אתגרים לשימוש בקרקע. הסקר הגיאולוגי האמריקאי מציין כי צ'ילה אחראית ל-27% מייצור הנחושת העולמי, ואחריה פרו (10%), סין (8%) והרפובליקה הדמוקרטית של קונגו (8%). סוכנות האנרגיה הבינלאומית (IEA) מאמינה שאם השימוש באנרגיה מתחדשת עולמית יגיע ל-100% עד 2050, הביקוש לנחושת מפרויקטים סולאריים כמעט ישתלש.

[13]מסקנה

 

האם אנרגיה סולארית תהפוך יום אחד למקור האנרגיה העיקרי שלנו? מחיר האנרגיה הסולארית יורד והיעילות משתפרת. בינתיים, יש הרבה מסלולים שונים של טכנולוגיה סולארית לבחירה. מתי נזהה טכנולוגיה אחת או שתיים ונגרום להן לפעול בפועל? כיצד לשלב אנרגיה סולארית ברשת?

 

ההתפתחות של אנרגיה סולארית מהתמחות למיינסטרים מדגישה את הפוטנציאל שלה לענות על צורכי האנרגיה שלנו ולעלות עליהם. בעוד שתאים סולאריים גבישיים שולטים כיום בשוק, ההתקדמות בטכנולוגיית הסרט הדק וטכנולוגיות מתפתחות כמו קדמיום טלוריד ופרוסקיטים סוללות את הדרך ליישומים סולאריים יעילים ומשולבים יותר. אנרגיה סולארית עדיין מתמודדת עם אתגרים רבים, כמו ההשפעה הסביבתית של כריית חומרי גלם וצווארי בקבוק בייצור, אבל אחרי הכל, מדובר בתעשייה שצומחת במהירות, חדשנית ומבטיחה.

 

עם האיזון הנכון בין התקדמות טכנולוגית ופרקטיקות ברות קיימא, הצמיחה והפיתוח של אנרגיה סולארית יסללו את הדרך לעתיד אנרגיה נקי יותר ושופע יותר. בשל כך, היא תציג צמיחה משמעותית בתמהיל האנרגיה בארה"ב וצפוי להפוך לפתרון בר-קיימא עולמי.