כמו בתעשיית האלקטרוניקה גם בתעשיית התאים הסולאריים הפוטו-וולטאים המחיר אליו שואפת הטכנולוגיה בטווח הארוך מורכב ברובו ממחירו של חומר הגלם. אם בתחילת הדרך, תהליך היצור מהווה חלק נכבד מהעלות,

הדור השלישי של תאים פוטו-וולטאים

מאת: רוני פוזנר

כמו בתעשיית האלקטרוניקה גם בתעשיית התאים הפוטו-וולטאים המחיר אליו שואפת הטכנולוגיה בטווח הארוך מורכב ברובו ממחירו של חומר הגלם. אם בתחילת הדרך, תהליך היצור מהווה חלק נכבד מהעלות, בסוף הדרך עלות הייצור דועכת בצורה משמעותית ואנחנו נשארים עם מחיר שמורכב ברובו ממחיר חומר הגלם.

כל טכנולוגיה חדשה אשר נבחנת במרוצת הזמן מתנהגת בצורה כזאת. לכן, אין סיבה להניח שהתעשייה הסולרית לא הולכת באותו כיוון. לפי ההיגיון הזה, טבעי להניח שבסופו של דבר המפתח למחיר הנמוך ביותר יהיה בתאים שיתפסו כמה שפחות שטח כי הם התאים שגם יכילו הכי פחות חומר.

שלושת הדורות

רוב התאים הסולריים הנמכרים היום הם תאים מבוססי מצע סיליקון – נקרא להם תאי דור ראשון. במרוצת השנים, טכנולוגיה זו התבגרה ומחיר המערכת הכוללת הפך להיות תלוי יותר ויותר במחיר חומר הגלם – סיליקון ומתכות, ופחות בשיטות הייצור. כיום המחיר של חומרי הגלם במפעל המייצר תאים סולריים דור ראשון בקצב של 500 מגה-וואט לשנה מהווה כ- 70% מסה"כ העלויות. לפני מספר שנים לא גדול המספר הזה היה הרבה יותר נמוך.

מתחילת שנות ה-80, התעשייה התקדמה לעבר מה שנקרא, תאי דור שני, אשר ידועים יותר בשמם – התאים הדקים (thin films). ללא קשר לחומר ממנו מורכבים תאים אלו, ההבטחה שלהם היא הוזלה משמעותית במחיר מכיוון שלצורך הייצור יש צורך בהרבה פחות חומר גלם מאשר תאי דור ראשון.

תהליך הייצור של תאים כאלה הוא הרבה פחות בזבזני באנרגיה מכיוון שאין צורך לגדל גבישי סיליקון בטמפרטורות גבוהות ובנוסף כל תהליכי הייצור מתבצעים בטמפרטורות סבירות. להורדת עלויות הייצור יש משמעות גם לגבי זמן ההחזר האנרגטי של התאים. כלומר, כמות האנרגיה שהתאים מייצרים ביחס לכמות האנרגיה שנדרשה לייצר אותם גדול יותר בתאי דור שני לעומת דור ראשון.

תאים אילו בתחילת הדרך היו בעלי נצילויות נמוכות מאד אך עם הזמן הנצילויות עלו וכיום הם מתקרבים לנצילות של תאי הסיליקון כשהמחיר הוא הרבה יותר נמוך. הפער בין הדור השני לדור הראשון נסגר לאיטו. כמובן שבסופו של דבר גם תאי הדור השני יגיעו לשלב הבשלות בו המחיר של התאים יתבטא ברובו ממחיר החומר גלם.

אז איך ניתן להתקדם הלאה? דרך אחת להתקדם היא ע"י העלאת הנצילות של התאים הסולריים בצורה משמעותית. בתיאורה הנצילות המרבית של תאים סולריים היא 95% וכיום אנחנו רחוקים מאד ממספר זה בתאי הדור הראשון. הנצילות המרבית של תאי סיליקון היא איפשהו סביב 31% וגם ממספר הזה אנחנו רחוקים כיום. התאים שמוכרים לנו היום הם בעלי נצילות של 20% ואף פחות.

לכן, אם לרגע נחלום, נוכל להבין שהנצילות של התאים הסולריים יכולה לקפוץ בצורה משמעותית לפי 2-3 ואף יותר מהנצילויות הקיימות כיום. לשם הגעה לנצילויות כאלה, טכנולוגיות ומדע חדש לגמרי צריכים להיבנות. הקונספט צריך להשתנות לגמרי. אך אם דבר זה אכן יתבצע ובטווח הרחוק גם מחיר התאיים הסולריים האלה יורכב ברובו ממחיר חומר הגלם אנו נוכל ליצור מקור אנרגיה חלופי זול כ"כ שזו תהיה תחילתה של תקופה חדשה. בואו נקרא לתאי העתיד האלה – תאי דור שלישי.

המחיר הקונבנציונלי היום של תאים סולריים דור ראשון, כאלה שתקבלו אם תתקינו על גג הבית שלכם, הוא איפשהו בסביבות ה-7.5 דולר לוואט (בלי סובסידיות כמובן). המחיר הפוטנציאלי של תאי הדור הראשון יכול לרדת עד האזור של 3.5 דולר לוואט בערך. המחיר של תאים סולריים דור שני יכול להוריד את המחיר הזה עד ל-0.5 עד 1 דולר לוואט ותאי הדור השלישי מחזיקים בפוטנציאל להוריד את המחיר עד פחות מ-20 סנט לוואט. רק לשם השוואה, המחיר לוואט של תחנת כוח מבוססת פחם מוערך היום בכ- 2.1 דולר לוואט.

כל המחירים המוזכרים בפסקה הקודמת הם מחירי התאים עצמם ללא עלויות הרכבה, שנאים ואמצעי אגירה (בטריות למשל) שמותקנות בחלק מהמערכות. גם מחירם של כל הפרמטרים האלה ילכו ויקטנו במרוצת השנים (זוהי המגמה בעשרות השנים האחרונות). אך גם ללא ירידה משמעותית, במחיר של 20 סנט לוואט פלוס תוספת כלשהי – התפישה שלנו לגבי צריכת אנרגיה לבטח תשתנה כאשר מחיר החשמל יהיה 1 חלקי 20 ממחירו כיום ועדיין לא הזכרתי את הפסקת הזיהום, ביטול התלות בנפט וכולי.

אז האם אפשר לייצר תאי דור שלישי?

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

למעשה כבר כיום קיימים תאים סולריים אשר נקראים תאים רב-צמתיים (tandem cells) אשר מגיעים לנצילויות של 40 אחוז ומעלה. השיטה בתאים כאלה היא יצירת ערימה של מספר תאים בעלי מאפיינים שונים של בליעת אור השמש האחד על השני וע"י כך העלאת הנצילות באופן משמעותי.הבעיה בתאים אלה הוא המחיר כמובן. תהליך הייצור הוא מאד מסובך ואלו גם לא תאי דור שני מכיוון שהם מכילים כמות חומר גדולה. התאים האלה משמשים במערכות של ריכוז קרינה – מערכות האוספות את אור השמש משטח גדול ומרכזות אותו על שטח קטן. אמנם מחיר התא הרב-צמתי הוא יקר, אך היות ומשתמשים בתא קטן, הממיר כמות אור גדולה ובנצילות גבוהה, יש הגיון בשימוש בתאים יקרים כאלה. גם למערכות כאלה יש בעיות רבות וקצרה היריעה מלהרחיב עליהן כאן.

אז הראנו 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 לדוגמה: (אני מזהיר – כאן מגיע החלק המסובך יותר של הכתבה)

1. מספר רמות בליעה בחומר אחד

בתאים הרב צמתים ישנו שימוש במספר תאים, כל תא לוקח חלק אחר מספקטרום השמש. הרעיון החדש הוא להשתמש בחומר אחד ולגרום לו להתנהג כמו כמה חומרים. הוא ידע להשתמש באור השמש בצורה טובה יותר.

2. יצירת מספר אלקטרונים לכל פוטון

בתאים הסולריים הסטנדרטים כל פוטון (אנרגית חלקיקי השמש) יוצר אלקטרון אחד בתוך התא הסולרי. מספר האלקטרונים משפיע בסופו של דבר על הנצילות של התא. הרעיון החדש הוא לגרום לפוטון בודד ליצור מספר אלקטרונים וע"י כך להעלות את הנצילות בצורה משמעותית.

3. פיצול פוטון לשני פוטונים

רעיון דומה לרעיון בדוגמה הקודמת הוא לקחת פוטון בעל אנרגיה גדולה ולפצל אותו לשני פוטונים בעלי חצי אנרגיה ואז כשהפוטונים האלה יפגעו בתא הסולרי כל אחד מהם ייצור אלקטרון במקום אלקטרון אחד שהיה נוצר מהפוטון המקורי. הפוטון המקורי אמנם בעל אנרגיה גבוהה יותר אך בתאים פוטו-וולטאים סטנדרטים כל פוטון בעל אנרגיה גבוהה יותר מאנרגיה מסוימת (אנרגית הפס האסור) ייצור אמנם אלקטרון בעל אנרגיה גדולה אך האנרגיה הזאת לא תתרגם לחשמל מכיוון שהאלקטרון מאבד חלק מהאנרגיה שלו בתהליך מהיר מאד של thermalization. מכיוון שכך, עדיף ליצור שני פוטונים שייצרו שני אלקטרונים אשר לכל אחד מהם אנרגיה השווה לאנרגית הפס האסור.

4. אלקטרונים חמים

כשאלקטרון נוצר בתוך החומר מפוטון בעל אנרגיה גדולה חלק מהאנרגיה של האלקטרון מתרגמת בסופו של דבר לחשמל וחלק נאבדת בחום. תהליך איבוד החום הוא תהליך מהיר מאד (thermalization), הרעיון החדש הוא להשתמש באלקטרון החם לפני שהוא מספיק להתקרר וע"י כך להרוויח עוד אנרגיה שאחרת פשוט מתבזבזת לחום.

5. תרמו-סולרי

חברת סולל לדוגמה מייצרת אנרגיה חשמלית ע"י אור השמש בתהליך של חימום מים/שמן ע"י השמש והפעלת טורבינה ע"י הקיטור שמופק מהמים/שמן. גם כאן הנצילויות הם די נמוכות. רעיונות חדשים להעלאת הנצילות בצורה ניכרת קיימים גם כאן. רעיונות כמו thermophotovoltaics ו- thermophotonics שאם תרצו לקבל עליהם עוד מידע פשוט תעשו חיפוש מהיר במנוע החיפוש האהוב עליכם.

כמובן שאלו לא כל הרעיונות היחידים הקיימים ולבטח רעיונות חדשים עוד יופיעו במרוצת הזמן.

ריי קוצוויל (Ray Kurzweil), ממציא ועתידן מפורסם כתב ספר בשם The singularity is nea. בספר ריי מדבר על כך שבני אדם בד"כ חושבים בצורה ליניארית. דרך חשיבה טיפוסית תתבסס על כך שאם משהו התקדם בצורה מסוימת במספר שנים האחרונות אז כנראה שהוא ימשיך להתקדם באותו קצב גם בשנים הבאות. הספר, אם כן, בא להפריך את הטענה הזאת ומראה בעזרת עשרות דוגמאות שקצב השינוי של כל טכנולוגיה או שינוי חדש הוא איטי בהתחלה, מתגבר לאט לאט ובאיזשהו זמן מגיע שלב בו קצב ההתקדמות מתפוצץ. בסוף התהליך חוזרים שוב למצב של רגיעה. במקביל, בזמן ההתפוצצות או הרגיעה, טכנולוגיות חדשות מתחילות לצוץ וגם הן יעברו בסופו של דבר אותו תהליך.

הדוגמאות בספר כוללות למשל את התפתחות הרדיו, הטלוויזיה, האינטרנט והטלפונים הסלולרים וכמו כן מובאות למשל גם דוגמאות אשר מתארות את התפתחות האבולוציה על כדור הארץ.

בתמונה, אפשר לראות את אחת הדוגמאות הקיצוניות יותר שמוצגות בספר. הגרף מתאר את כמות החישובים לשנייה שמעבד שעולה 1000$ מספק לנו כתלות ב-100 שנים אחרונות. אפשר לראות שבשנת 1900 היינו מקבלים בערך אחד חלקי מיליון חישובים לשנייה אם היינו קונים מעבד ב-1000$. קצב ההתקדמות עד שנות ה-50 בערך של המאה הקודמת היה די איטי ואז בשנות ה-60 חלה ההתפוצצות שאנו נמצאים עדיין בתוכה. אפשר לראות שלפי החזון של הספר בשנת 2030 בערך כל מעבד בשווי 1000$ יכיל בתוכו כוח מחשוב השווה לכוח המחשוב של מוח אנושי ובשנת 2050 ומשהו כל מעבד יכיל בתוכו כוח מחשוב של כל האנושות ביחד.

עשרות גרפים כאלה נמצאים בספר גם בנושאים רבים אחרים. אין סיבה להניח שהמגמה לא תחזור על עצמה גם בתחום של האנרגיות החלופיות ובפרט בתחום האנרגיה הסולרית.

על הכותב

רוני פוזנר, חבר הקואופרטיב לאנרגיות מתחדשות, במהלך השלמת תואר שני באוניברסיטת תל אביב בתחום הנדסת חומרים וננו טכנולוגיה. תחום המחקר – אנרגיה סולרית.