שני פיזיקאים מאוניברסיטת Lehigh שבפנסילבניה, ארה"ב פיתחו טכניקת הדמיה המאפשרת להבחין בצורה ישירה באקסיטונים פולטי-אור, בשעה שהם מתפזרים בחומר חדש הנקרא רוברן, בעל תכונות חשמליות יוצאות דופן.

לראות את האנרגיה הסולארית

פרופסור ביאג'יו במעבדתו – צילום באדיבות אוניברסיטת Lehigh

שני פיזיקאים מאוניברסיטת Lehigh שבפנסילבניה, ארה"ב פיתחו טכניקת הדמיה המאפשרת להבחין בצורה ישירה באקסיטונים פולטי-אור, בשעה שהם מתפזרים בחומר חדש הנקרא רוברן, בעל תכונות חשמליות יוצאות דופן. הרוברן שייך לקבוצת חומרים מדור חדש, מוליכים למחצה אורגניים מגביש יחיד.

אקסיטונים, הנוצרים על-ידי אור, משחקים תפקיד מרכזי בניצול אנרגיה סולארית באמצעות תאים סולאריים מבוססי פלסטיק. ההישג המדעי של פרופסור איבן ביאג'יו ודוקטור פאבל אירקין, מהווה למעשה את הפעם הראשונה בה נעשה שימוש בטכניקת הדמיה מתקדמת, לצפייה בדיפוזיה ארוכת טווח של אקסיטונים נושאי-אנרגיה בגביש אורגני.

"דרך טובה להבין את המכאניקה שבה עובדים האקסיטונים", מסביר פרופסור ביאג'יו, "היא לשפוך כוס חלב על הרצפה. החלב מתפזר לכל הכיוונים מהנקודה בה נוצר אימפקט. השאלה 'עד לאן הוא יגיע?', תלויה בסוג המשטח עליו הוא נופל. עכשיו נסו לדמיין כי החלב התחלף בצרור של חלקיקי אנרגיה, והרצפה התחלפה במערך מסודר של מולקולות אורגניות".

קבוצת המחקר של ביאג'יו השתמשה בקרן לייזר ממוקדת על מנת ליצור את החלקיקים – האקסיטונים – בגביש העשוי מולקולות אורגניות. הם עקבו אחר תנועת האקסיטונים לאורך מרחקים הקטנים מגודלה של שיערת אדם על-ידי צילום ישיר של האור שהחלקיקים פולטים. בניגוד לחלב שנשפך, האקסיטונים מתפזרים רק בכיוון המותאם למערך המובנה של המולקולות.

התקווה: להתגבר על צוואר הבקבוק הסולארי

הבנת הדיפוזיה של אקסיטונים היא קריטית בטכנולוגיית תאים סולאריים מבוססי פלסטיק, שבה ספיגת האור יוצרת אקסיטונים, במקום השראה חשמלית ישירה כפי שקורה במרבית המערכות הסיליקוניות.

לאחר שהם נוצרים בתא סולארי מבוסס פלסטיק, האקסיטונים מתפזרים לממשקים המתוכננים במיוחד, שם הם מניעים אלקטרונים לתוך מעגל חיצוני. זרם אלקטרונים זה הוא למעשה הזרם החשמלי. תהליך התפזרות זה מהווה את אחד האתגרים הטכניים המגבילים את יעילותם של תאים סולאריים מבוססי פלסטיק.

"זוהי הפעם הראשונה בה נצפו אקסיטונים ישירות בחומר מולקולרי בטמפרטורת החדש", מציין ביאג'יו. "אנו מאמינים כי הטכניקה שהדגמנו תנוצל על-ידי חוקרים אחרים בכדי לפתח הבנה טובה יותר של התזפרות אקסיטונים, וצוואר הבקבוק שהם יוצרים ביכולות תאים סולאריים מבוססי פלסטיק".

אז מתי יהיו לנו תאים סולאריים מבוססי פלסטיק יעילים וזולים? חוקרים ברחבי העולם מנסים להביא לשיפור אורך הדיפוזיה של אקסיטונים עד שיהיו גדולים כספיגת האור – זוהי הנקודה בה אור השמש נאסף ומומר לאנרגיה בצורה היעילה ביותר.

תודות להדמיה הישירה של דיפוזיית האקסיטונים, אירקין וביאג'יו הצליחו להשיג מדידות מדויקות של אורכי ההתפזרות. אורך זה נמצא כגדול במיוחד בכיוון מסוים, והיה גדול פי מאות מהאורכים המוכרים בתאי הפלסטיק הסולאריים בהם נעשה שימוש כיום. אימוץ הטכנולוגיה שפיתחו השניים עשויה לקדם את המחקר בשוק, ולהוביל לפיתוחים משמעותיים.

"לחומרים אורגניים יש פוטנציאל עצום שעדיין לא נחקר, והדיפוזיה היעילה של האקסיטונים בה הבחנו ברוברן, עשויה להוות את הבסיס לרעיונות חדשים וטכנולוגיות לקראת פיתוחם של תאים סולאריים מבוססי פלסטיק היעילים מתמיד".