תא פוטו-וולטאי

תא פוטו-וולטאי (PV) או תא סולארי הוא התקן סולארי להפקה ישירה של אנרגיה חשמלית על ידי קליטת קרינה אלקטרומגנטית (אור) מן השמש (או מקור אור אחר).

היסטוריה

פעולתו של התא המודרני מבוססת על "האפקט הפוטו-וולטאי" , שהתגלה בשנת 1839 על ידי המדען הצרפתי אלכסנדר אדמונד בקרל . בשנת 1883 נבנה התא הפוטו-וולטאי הראשון מסלניום מצופה זהב.
הסבר תאורטי ניתן בשנת 1905 בידי אלברט איינשטיין לתופעה דומה, האפקט הפוטואלקטרי. בשנת 1921 הוא קיבל פרס נובל עבור עבודה זו. תא פוטואלקטרי יכול גם כן לייצר חשמל אך בנצילות נמוכה מאוד.
בשנת 1954 בנתה חברת בל את הלוח הפוטו-וולטאי הראשון העשוי סיליקון. ב-1958 שיגרה ברית המועצות את הלוויין הראשון שעשה שימוש בתאים פוטו-וולטאיים, ובעקבותיה הלכה ארצות הברית.
נכון ל־2008 תחנת הכוח הפוטו-וולטאית הגדולה בעולם הייתה בסקסוניה, גרמניה, בהספק של כ־40 מגה-וואט, אך עד 2015 נבנו תחנות כח בהיקפים של עד 570 מגה-וואט.

אופן הפעולה

לכל תא סולרי יש פער אסור - האנרגיה המינימלית שהתא יכול לקלוט. כאשר פוטון באנרגיה גבוהה מספיק נקלט על ידי התא, אלקטרון אחד נפרד מגרעינו ועובר מפס הערכיות לפס ההולכה. הדבר יוצר יונים חיוביים (קטיונים) בפס ההולכה ויונים שליליים (אניונים) בפס הערכיות. המשיכה בין היונים גורמת למסירת אלקטרונים מהשכבה התחתונה אל העליונה, וכך ליצירת זרם.

יעילות

תאים סולאריים הפועלים על עיקרון פוטון מעורר אלקטרון מסוגלים לנצל עד 31% מאנרגיית השמש, אף על פי שבפועל הנצילות לרוב מגיעה רק עד 25%. הטכנולוגיה המבטיחה ביותר כיום להגדלת ניצולת השמש היא על ידי החדרת אילוחים לננו-חלקיקים ויצירת מצב קוונטי המשחרר שני אלקטרונים בכל פגיעת פוטון. היעילות התאורטית של מערכת כזו היא כ-50%.
פגיעות נוספות ביעילות המערכת נובעות מעננות, אבק על הקולטנים, זווית שמש משתנה, נזק לקולטנים כתוצאה מחום ומרחק הולכת הזרם עד הצרכן. חברות רבות מספקות פתרונות לבעיות הללו, כגון ניקוי אוטומטי של אבק או בניית מערכת המסובבת את הקולטנים לכיוון השמש, אך פתרונות אלו מיקרים את המערכת.
בחשיפה לחום מאבדים קולטני השמש עד מחצית מזמן החיים שלהם עם כל עליה של 8 מעלות, לכן דווקא בתנאים אופטימליים של מדבר בו אין עננות וקיימת קרינה ישירה עלולים הקולטנים לאבד מיעילותם במהרה.

יישומים

תא פוטו-וולטאי משמש בשימושים ביתיים ומסחריים. בשימוש ביתי ניתן למצוא את התא הפוטו-וולטאי במבחר מכשירים חשמליים אשר משתמשים בו כמקור כח במקום סוללות, כגון מחשבי כיס, שעונים ואף מטענים לסוללות.
בשימוש מסחרי ניתן למצוא את התאים הפוטו-וולטאים במקומות בהן לא ניתן להתחבר לרשת החשמל, כגון תאי טלפון מבודדים. חוות של תאים פוטו-וולטאים משמשים כמקורות ייצור חשמל ירוקים, בדומה לחוות רוח. בתעשיית החלל התאים הפוטו-וולטאיים משמשים לאספקת חשמל לתחנות חלל וללוויינים.

תאים פוטו-וולטאיים בישראל

בישראל ניתן לראות תאים פוטו-וולטאיים המותקנים על עמודי תאורה ליד תחנות הסעה מבודדות, וכן ביישובים קטנים בנגב ובערבה. 
החיסרון העיקרי של השיטה הוא העלות הגבוהה יחסית של הפקת חשמל, שכן מחירם של הפנלים הפוטו-וולטאיים עדיין גבוה יחסית. נכון ל-2015, עלות מערכת המייצרת הספק שיא של קילוואט אחד הוא כ-10,000 שקלים. בשל העובדה שהמערכת אינה מייצרת חשמל בלילה ובימים מעוננים וגשומים, ניתן לייצר במרכז הארץ באמצעות מערכת כזו כ-1,600 קוט"ש בשנה. באזורים מדבריים נצילות המערכת יכולה להיות גבוהה יותר.
בשנים האחרונות נכנסו חברות ישראליות לשוק זה והן מציעות לרכישה תאים פוטו-וולטאיים לשימוש פרטי לצורך חיסכון בחשבון החשמל המשפחתי. אפשר להתקין שעון חשמל דו-כיווני שמאפשר לייצר חשמל ו"למכור" אותו למעשה לחברת החשמל ובכך להקטין את חשבון החשמל.
במרכז הלאומי לאנרגיית השמש באוניברסיטת בן-גוריון נערכים מחקרים בתחום הפוטו-וולטאי, העוסקים בין השאר בתא פוטו-וולטאי מבוסס פחמן, ובייצור חשמל פוטו-וולטאי באמצעות שימוש במראה מרכזת גדולה. הציפיות הן שמחקרים אלו יבשילו בעשור הבא לכדי מערכות זולות והמוניות לייצור חשמל מאנרגיית שמש.
ביולי 2008 עברה החלטת ממשלה בדבר עידוד הקמת תחנות פוטו-וולטאיות בישראל, וכן תקנות המקלות על הליך אישור התקנת לוחות סולאריים בטכנולוגיה פוטו-וולטאית על גגות בתים. בשנת 2009 פורסם תעריף לתחנות בינוניות מבוססות תא-פוטו-וולטאי ובתחילת 2011 פורסם תעריף לתחנות כח גדולות בטכנולוגיה זו. פרסום התעריף האיץ את תהליך הקמת תחנות כוח פרטיות מבוססות טכנולוגיה זו, ותחנת כח בינונית בהספק של כ-5 מגוו"ט כבר הוקמה בקיבוץ קטורה שבערבה ומחוברת לחשמל החל משנת 2011.