האפקט הפוטו-וולטאי

האפקט הפוטו-וולטאי הוא תופעה פיזיקלית של יצירת מתח וזרם חשמלי בחומר כתוצאה מחשיפה לאור. בשפה פשוטה יותר, מדובר בתהליך המסוגל להמיר אנרגיית אור ישירות לאנרגיה חשמלית.

 אטימולוגיה 
פוטו (φῶς, phōs) = אור

וולטאי (מ-Volta, על שם אלסנדרו וולטה, ממציא הסוללה החשמלית) = קשור למתח חשמלי

המשמעות המילולית היא "אור-חשמלי" או "המרת אור לחשמל".
ממוזער|האפקט הפוטו-וולטאי

 הסבר מפורט 
האפקט הפוטו-וולטאי קשור קשר הדוק לאפקט הפוטואלקטרי. בשתי התופעות האור שנבלע בחומר גורם לעוררות של אלקטרון או נושא מטען אחר למצב אנרגיה גבוה יותר. בתהליך זה נוצר פוטנציאל חשמלי על ידי הפרדת המטענים, והאור חייב להיות בעל אנרגיה מספקת כדי להתגבר על מחסום הפוטנציאל לצורך העירור.

ההבדל העיקרי בין שני המושגים הוא שהמונח אפקט פוטואלקטרי משמש בדרך כלל כאשר האלקטרון נפלט מהחומר ולא נעשה בו שימוש (בדרך כלל נפלט לחלל ריק) ואילו המושג האפקט הפוטו-וולטאי משמש כאשר נושא המטען המעורר עדיין נמצא בתוך החומר. ההבדל הפיזיקלי הוא בדרך כלל שפלט פוטואלקטרי מפריד את המטענים באמצעות הולכה בליסטית ופלט פוטו-וולטאי מפריד אותם באמצעות דיפוזיה, אך חלק מהתקני פוטו-וולטאי מבוססי "נשא חם" מטשטשים הבחנה זו.

 היסטוריה 
האפקט התגלה לראשונה על ידי אדמון בקורל בשנת 1839, אז השתמש בתא אלקטרוכימי. הוא הסביר את גילויו בכתב העת Comptes rendus de l'Académie des Sciences: "יצירת זרם חשמלי כאשר שתי פלטות פלטינה או זהב שקועות בתמיסה חומצית, נייטרלית או בסיסית נחשפות בצורה לא אחידה לקרינת השמש".

התא הסולארי הראשון, שהכיל שכבה של סלניום מכוסה בשכבת זהב דקה, נוסה על ידי צ'ארלס פריטס בשנת 1884, אך הייתה לו יעילות נמוכה מאוד. הצורה המוכרת ביותר של האפקט הפוטו-וולטאי משתמשת בהתקנים במצב מוצק, בעיקר בפוטודיודות. כאשר אור שמש או אור אנרגטי מספיק פוגע בפוטודיודה, האלקטרונים הנמצאים בלהקת הערכיות סופגים אנרגיה, מתעוררים, קופצים ללהקת ההולכה והופכים חופשיים. אלקטרונים מעוררים אלו מתפזרים, וחלקם מגיעים לצומת המיישרת (בדרך כלל צומת דיודה p–n) שם הם מואצים לחומר מוליך למחצה מסוג n על ידי הפוטנציאל הפנימי (פוטנציאל גלוואני). זה יוצר כוח אלקטרומניע וזרם חשמלי, ובכך חלק מהאנרגיה של האור מומרת לאנרגיה חשמלית. האפקט הפוטו-וולטאי יכול להתרחש גם כאשר שני פוטונים נבלעים בו זמנית בתהליך שנקרא אפקט פוטו-וולטאי של שני פוטונים.

 פיזיקה 
חשמל יכול להיווצר מאור בשתי דרכים עיקריות. הדרך הראשונה היא האפקט הפוטו-וולטאי, שבו האור גורם ישירות לאלקטרונים לנוע וליצור זרם חשמלי. הדרך השנייה היא אפקט סיבק. באפקט זה, האור מחמם חומר מוליך או מוליך למחצה. החימום יוצר הבדלי טמפרטורה בתוך החומר או בין חומרים שונים. הבדלי טמפרטורה אלה גורמים לאלקטרונים לנוע בצורה שונה באזורים שונים של החומר. תנועה זו יוצרת הפרשי מתח, שבתורם מייצרים זרם חשמלי. כמה חשמל ייווצר מכל שיטה תלוי בסוגי החומרים שמשתמשים בהם ובמאפיינים שלהם.

כל ההשפעות האלו יוצרות זרם ישר (DC). עם זאת, הדגמה ראשונה של האפקט הפוטו-וולטאי של זרם חילופין (AC PV) בוצעה על ידי ד"ר האיאנג זו ופרופ' ג'ונג לין וואנג במכון הטכנולוגי של ג'ורג'יה בשנת 2017. אפקט ה-AC PV הוא יצירת זרם חילופין (AC) במצבים לא שוויוניים כאשר האור מאיר באופן תקופתי בצומת או בממשק של החומר. האפקט מבוסס על המודל הקיבולי, שבו הזרם תלוי בתדירות ההארה. אפקט ה-AC PV נחשב כתוצאה מהשינוי היחסי וההיערכות המחודשת בין רמות הקוואזי-פרמי של המוליכים למחצה הסמוכים לצומת או לממשק בתנאים הלא שוויוניים. האלקטרונים זורמים במעגל החיצוני הלוך ושוב כדי לאזן את הפרש הפוטנציאלים בין שתי האלקטרודות. יש לציין שתא השמש האורגני, שבו החומרים חסרי ריכוז נשא ראשוני, אינו מציג את אפקט ה-AC PV.

 השפעת הטמפרטורה 
ביצועי מודול פוטו-וולטאי תלויים בתנאי הסביבה, ובעיקר בקרינה הגלובלית המקרינה על מישור המודול. עם זאת, טמפרטורת הצומת p–n משפיעה גם על הפרמטרים החשמליים העיקריים: זרם הקצר (ISC), מתח המעגל הפתוח (VOC), וההספק המרבי (Pmax). המחקרים הראשונים על התנהגות תאי PV בתנאים משתנים של קרינה וטמפרטורה החלו לפני כמה עשורים. באופן כללי, ידוע כי ל-VOC יש מתאם הפוך משמעותי עם הטמפרטורה, בעוד של-ISC המתאם ישיר אך חלש יותר, כך שהעלייה הזו לא מפצה על הירידה ב-VOC. כתוצאה מכך, Pmax פוחת כאשר הטמפרטורה עולה. מתאם זה בין הספק הפלט של תא שמש לטמפרטורת העבודה של הצומת תלוי בחומר המוליך למחצה, ונובע מהשפעת הטמפרטורה על הריכוז, משך החיים וניידות הנשאים הפנימיים, כלומר אלקטרונים וחורים, בתוך תא ה-PV.

רגישות הטמפרטורה מתוארת בדרך כלל על ידי מקדמי טמפרטורה, שכל אחד מהם מבטא את הנגזרת של הפרמטר שהוא מתייחס אליו ביחס לטמפרטורת הצומת. ערכי פרמטרים אלו ניתן למצוא בכל גיליון נתונים של מודול PV; הם:

β מקדם השינוי של VOC ביחס לטמפרטורה, נתון על ידי ∂VOC/∂T.
α מקדם השינוי של ISC ביחס לטמפרטורה, נתון על ידי ∂ISC/∂T.
δ מקדם השינוי של Pmax ביחס לטמפרטורה, נתון על ידי ∂Pmax/∂T.

טכניקות להערכת מקדמים אלו מנתונים ניסיוניים ניתן למצוא בספרות. עם זאת, מחקרים מועטים מנתחים את השינוי בהתנגדות הסדרתית ביחס לטמפרטורת התא או המודול. תלות זו נבדקת על ידי עיבוד מתאים של עקומת המתח-זרם. מקדם הטמפרטורה של ההתנגדות הסדרתית מוערך באמצעות מודל דיודה יחיד או מודל דיודה כפולה.

 תאים סולאריים (תאי שמש) 

ברוב היישומים הפוטו-וולטאיים, מקור הקרינה הוא אור שמש, וההתקנים נקראים תאי שמש. במקרה של תא שמש של צומת מוליך למחצה p–n (דיודה), הארה של החומר יוצרת זרם חשמלי מכיוון שאלקטרונים מעוררים והחורים הנותרים נמשכים לכיוונים שונים על ידי השדה החשמלי המובנה של אזור הדפלציה.

ה-AC PV מופעל בתנאים הלא שוויוניים. המחקר הראשון התבסס על סרט ננו p-Si/TiO2. נמצא שמעבר לפלט DC הנוצר על ידי האפקט הפוטו-וולטאי הקונבנציונלי המבוסס על צומת p–n, נוצר גם זרם חילופין כאשר אור מהבהב מאיר בממשק. אפקט ה-AC PV אינו עוקב אחר חוק אוהם, הוא מבוסס על המודל הקיבולי שבו הזרם תלוי מאוד בתדירות הקוצץ, אך המתח אינו תלוי בתדר. זרם השיא של AC בתדר החלפה גבוה יכול להיות גבוה בהרבה מזה של DC. גודל הפלט קשור גם לספיגת האור של החומרים.
ממוזער|מחשבון סולארי

 דוגמאות 
 מחשבון סולארי 
התהליך שקורה במחשבון שולחני עם לוח סולארי קטן בחלקו העליון.

 האור פוגע בלוח הסולארי הקטן.
 התאים הפוטו-וולטאיים בלוח ממירים את האור לזרם חשמלי.
 הזרם מפעיל את המחשבון או טוען סוללה קטנה בתוכו.

 תאורת גינה סולארית 
התהליך שקורה בתאורת גינה עם פאנל סולארי.

 במשך היום, הפאנל קולט אור שמש
 האנרגיה מומרת לחשמל ונאגרת בסוללה קטנה
 בלילה, הסוללה מספקת חשמל להדלקת נורת ה-LED.

 מטען נייד סולארי 
התהליך שקורה במטען נייד עם פאנל סולארי מובנה.

 המטען נחשף לאור שמש ישיר
 הפאנל ממיר את אור השמש לזרם חשמלי
 הזרם נאגר בסוללה הפנימית של המטען
 המטען מחובר לגוף נטען (דוגמת טלפון נייד) והוא טוען באמצעות האנרגיה שנאגרה.

 לוויינים 
ממוזער|לוויין עם כנפיים סולאריות
התהליך שקורה בלוויין תקשורת עם כנפיים סולאריות גדולות.

 הכנפיים מכוסות בתאים פוטו-וולטאיים
 בהיעדר אטמוספירה, הם קולטים אור שמש ישיר וחזק
 האנרגיה הסולארית מומרת לחשמל שמפעיל את כל מערכות הלוויין.

 קישורים חיצוניים 


 הערות שוליים 

קטגוריה:פיזיקה
קטגוריה:אנרגיה סולארית
קטגוריה:ייצור חשמל