כליאת האור בשכבות דקות במיוחד מהווה פריצת דרך אשר עשויה לאפשר פיתוח תאים סולריים בעלי יעילות גבוהה מחומרים מוליכים למחצה זולים ונפוצים, כדוגמת תחמוצת ברזל

טכניון: כליאת אור בחלודה יכולה להביא ליצירת דלקים סולריים

בתמונה: תא פוטו-אלקטרוכימי בפעולה. צילום: מורן גרוס, דוברות הטכניון

חוקרי הטכניון גילו כי כליאת אור בשכבות דקות של תחמוצת ברזל – חלודה – יכולה להביא לפירוק מים ויצירת דלקים סולריים. "הטמעת טכנולוגיות אנרגיה ממקורות מתחדשים וברי-קיימא כמרכיב משמעותי במשק האנרגיה דורשת מציאת דרכים זולות ויעילות לאגירת אנרגיה ואספקתה בזמן ובמקום הדרושים" מסביר פרופסור אבנר רוטשילד מהפקולטה למדע והנדסה של חומרים.

"אחת הדרכים לאגירת אנרגיית השמש היא פירוק מים, באמצעות פוטו-אלקטרוליזה, ויצירת מימן וחמצן. המימן הנוצר בתהליך זה יכול לשמש כדלק אותו ניתן להמיר לחשמל באמצעות תאי דלק בתהליך נקי ו"ידידותי" לסביבה. לחילופין, ניתן להשתמש בו כחומר גלם ליצירת דלקים נוזליים באמצעות שילובו עם פחמן דו-חמצני או שאריות צמחים (ביו-מסה). הדלקים המופקים בשיטה זו מכונים דלקים סולריים והם עשויים להוות תחליף לנפט ודלקים אחרים הנכרים מבטן האדמה (דלקים פוסיליים)".

חוקרי הטכניון פיתחו דרך חדשנית לביצוע פוטו-אלקטרוליזה של מים באמצעות שכבות דקות, בעובי של כ- 20 עד 30 ננומטר, של תחמוצת ברזל, חומר מוליך למחצה המהווה מרכיב עיקרי בחלודה. בניגוד לרוב המכריע של החומרים המוליכים למחצה מהם מייצרים תאים סולריים, תחמוצת ברזל יציבה במים והיא אף מסוגלת לפרק את המים לחמצן ומימן מבלי לשנות את הרכבה ותכונותיה. לכן, היא המועמדת המרכזית לפיתוח תאים פוטו-אלקטרוכימיים לפירוק מים באמצעות אנרגיית השמש. אולם, בשל הפער הגדול בין מרחק הבליעה הגדול של האור בתחמוצת ברזל ומרחק התנועה הקטן של נושאי המטען הנוצרים עקב בליעת האור בחומר, קשה לפתח פוטו-אלקטרודות מתחמוצת ברזל בעלות יעילות אנרגטית גבוהה.

החוקרים מצאו כי ניתן להתגבר על בעיה זו על ידי כליאת האור בשכבות דקות של תחמוצת ברזל באופן המגביר משמעותית את יעילות הבליעה בהן. הגברת הבליעה מתאפשרת בשל התאבכות בונה של גלי האור הפוגעים בשכבה ומתקדמים בה קדימה וגלי האור המוחזרים אחורה בהגיעם לקצה הנגדי (האחורי) של השכבה שם הם פוגשים מראה המחזירה את האור לאחור, בחזרה לשכבה. החוקרים פיתחו ושכללו את השיטה ויצר פוטו-אלקטרודות משכבות דקות של תחמוצת ברזל על גבי מצע זכוכית מצופה בחומר מחזיר אור העשוי מסגסוגת כסף-זהב. סגסוגת זו ייחודית בכך שהיא משלבת החזרה כמעט מלאה של האור (באורכי גל בתחום הנראה) ושמירה על יציבות לאורך זמן. האלקטרודות הללו השיגו יעילות גבוהה המתבטאת בקצב פירוק מים ויצירת חמצן ומימן גבוה מכל הדיווחים הקודמים על אלקטרודות מתחמוצת ברזל.

המחקר פותח אופקים חדשים לתכנון וייצור תאים פוטו-אלקטרוכימיים בעלי מבנה פשוט וחכם באמצעותו ניתן להתגבר על מגבלות החומר ולהשיג יעילות בליעה גבוהה בד בבד עם יעילות קוונטית גבוהה המאפשרת השגת הספקים גבוהים. כליאת האור בשכבות דקות כל כך, בעובי של כמה עשרות ננומטרים, מהווה פריצת דרך אשר עשויה לאפשר פיתוח תאים סולריים בעלי יעילות גבוהה מחומרים מוליכים למחצה זולים ונפוצים, כדוגמת תחמוצת ברזל. ניתן לשלב את התאים הפוטו-אלקטרוכימיים שפותחו ויוצרו בטכניון יחד עם תאים פוטו-וולטאיים, כמו למשל תאי סיליקון המותקנים בהיקפים הולכים וגדלים בארץ ובעולם, על מנת להפיק חשמל ומימן בשעות בהן השמש זורחת. את המימן ניתן לאגור לשימוש בשעות החשיכה או, לחילופין, להמירו לדלקים סינטטיים.

בנוסף, כליאת אור בשכבות דקות כל כך מאפשרת הפחתה ניכרת של כמות החומר הדרוש לייצור תאים פוטו-וולטאיים מדור שני. תאים אלו בנויים מתרכובות מוליכות למחצה המכילות יסודות נדירים, דבר המגביל את יישומם בהיקפים גדולים. השיטה שפותחה בטכניון מאפשר להקטין את עובי השכבה, ואת כמות החומר הדרוש לבנייתה, בעשרות אחוזים מבלי להפחית ביעילות בליעת האור בשכבה. כך ניתן להקטין את עלויות הייצור של תאים אלו, מבלי לאבד מיעילותם, ולהפכם לתחרותיים יותר.