מערכת פוטו-וולטאית

מערכת פוטו-וולטאית היא מערכת שבה מתרחשת המרת אור לחשמל באמצעות חומרים מוליכים למחצה, על בסיס האפקט הפוטו-וולטאי. תופעה זו, הנחקרת בתחומי הפיזיקה, הפוטוכימיה והאלקטרוכימיה, עומדת בבסיס פעולתם של תאים סולאריים – הרכיב המרכזי במערכות סולאריות. השימוש הנפוץ ביותר בטכנולוגיה זו הוא לייצור חשמל מאנרגיה סולארית, הנחשבת לאנרגיה מתחדשת ונקייה.

תאים סולאריים מהווים מוקד למחקר ופיתוח, במיוחד בהקשר של שיפור היעילות האנרגטית והוזלת עלויות הייצור, במטרה להפוך את האנרגיה הסולארית לחלופה ישימה ונגישה יותר. מעבר לכך, מערכות פוטו-וולטאיות מהוות כלי חשוב במאבק בהתחממות הגלובלית, שכן תהליך ייצור החשמל כמעט ואינו פולט גזי חממה, ובפרט פחמן דו-חמצני, בניגוד למקורות אנרגיה מבוססי דלקים מאובנים.
 היסטוריה 
התא הסולארי הראשון שהשתמש באפקט הפוטו-וולטאי לייצור חשמל נבנה על ידי צ'ארלס פריטס  ב-1884. הוא השתמש בשכבת סלניום מצופה בזהב, אך יעילות ההמרה של התא הייתה נמוכה מאוד, רק כ-1%. אף על פי שהטכנולוגיה הייתה פריצת דרך רעיונית, תאים אלה שימשו בעיקר כחיישני אור ולא כמקור חשמל מעשי.

המהפך הגיע רק ב-1954, כאשר מדענים ממעבדות בל פיתחו את התא הסולארי הראשון המבוסס על סיליקון, שהגיע ליעילות של כ-6% – שיפור משמעותי לעומת הדורות הקודמים. תאים אלו שימשו בתחילה ליישומים צבאיים וחלליים, דוגמת הלוויין ואנגארד 1 ששוגר ב-1958. במהלך שנות ה-70 וה-80 החלה הטכנולוגיה לחלחל ליישומים אזרחיים, בין היתר בשל משבר האנרגיה העולמי והקמת חברות כמו Solarex, שהחלו לפתח תאים לשוק המסחרי. בשנות ה-90 החלו מערכות פוטו-וולטאיות להופיע בשימוש ציבורי רחב, וב-2000 חלה תפנית משמעותית כאשר ממשלת גרמניה מימנה את תוכנית "מאה אלף גגות", מה שהביא לגידול משמעותי בייצור ובהתקנה של מערכות סולאריות.

מאז, חלה התקדמות דרמטית. הירידה בעלויות הייצור לצד העלייה ביעילות התאים, שהגיעה ליותר מ-26% בתאים מסחריים מבוססי סיליקון (לעומת 6% במקור), הפכה את המערכות הפוטו-וולטאיות למרכיב מרכזי בייצור אנרגיה מתחדשת בעולם.

 עקרונות מדעיים 
ממוזער|תרשים סכמתי של המרכיבים המרכזיים בתאי שמש. שלושה חומרים שונים משמשים לשכבת הברירה לחורים (HSL), לשכבת הברירה לאלקטרונים (ESL) ולשכבת קליטת האור (LAL). האזורים הצבועים מתארים את הפער האנרגטי (bandgap) של החומרים.
המכניקה המרכזית שעומדת בבסיס מערכות פוטו-וולטאיות היא האפקט הפוטו-וולטאי, שדומה במהותו לאפקט הפוטואלקטרי. בשתי התופעות אור שנבלע בחומר גורם לעירור של אלקטרון (או נושא מטען אחר) לרמת אנרגיה גבוהה יותר ונוצר הפרש פוטנציאלים חשמלי על יד הפרדת מטענים. ההבדל בין התופעות הוא שבאפקט הפוטואלקטרי האלקטרון נפלט מהחומר ובאפקט הפוטו-וולטאי האלקטרון נשאר "כלוא" בחומר.

אופן הפעולה של תא פוטו-וולטאי זהה לדיודה המייצרת זרם חשמלי כאשר פוגע בה אור. התא מורכב משלוש שכבות של מוליכים למחצה: שכבה הבולעת אור, שכבה בררנית לחורים ושכבה בררנית לאלקטרונים. כאשר פוטון בעל תדירות הגדולה מפער האנרגיה שבין פס ההולכה לפס הערכיות נבלע בשכבה הבולעת אור, נוצרים אלקטרונים וחורים שעוברים דיפוזיה. אם האלקטרון מגיע לשכבה הבררנית לאלקטרונים, הוא יגיע לאקלטרודה. השכבה הבררנית לחורים מונעת מהאלקטרון לעבור אליה ומחזירה אותו. הא-סימטריות הזו גורמת לכך שהאלקטרון ינועו לכיוון האלקטרודה השלילית של התא, וכמו כן החורים נעים לכיוון השני בתהליך ההפוך.

במקרה של תאים סולאריים המבוססים על צומת PN, אזור המפגש בין שני סוגי המוליכים למחצה יוצר שדה חשמלי פנימי. שדה זה מפריד את זוגות האלקטרון-חור שנוצרים בעקבות בליעת האור, ומניע כל אחד מהם לכיוון האלקטרודה המתאימה. כך מתאפשרת יצירה של זרם חשמלי במעגל החיצוני גם ללא צורך בשכבות בררניות נפרדות, והיעילות של ההפרדה בין המטענים עולה.

 שימושים 
תא פוטו-וולטאי (או תא סולארי) הוא מכשיר שממיר אנרגיית אור ישירות לאנרגיית חשמל באמצעות האפקט הפוטו-וולטאי. כאשר אור פוגע בחומר הפעיל שבתא, הוא יוצר זוג אלקטרון-חור שיוצר בתורו זרם חשמלי. תאים אלה משמשים בעיקר להפקת חשמל בתעשיות אנרגיה מתחדשת.
 תאים סולאריים מבוססי סיליקון גבישי מהווים את הטכנולוגיה הדומיננטית בשוק (93% ב-2016) ושיא היעילות של תא סיליקון חד-גבישי (monocrystalline) עומד על 26.3%. הם פועלים על ידי קליטת אור השמש ויצירת זוגות אלקטרון-חור בפס הערכיות בסיליקון והעברת האלקטרון לפס ההולכה דרך שכבות מוליכות ליצירת זרם חשמלי.
 תאים סולאריים מבוססי פרובסקיט היברידי מכילים תרכובת של פרובסקיט עם עופרת או בדיל הלידי בתור השכבה הבולעת אור. תאי פרובסקיט הציגו את ההתקדמות המהירה ביותר מאז 2016, עם עלייה ביעילות מ-3.8% ב-2009 ל-25.7% ב-2021. חומרים פרובסקיטיים מסוגלים לספוג טווח רחב של אור שמש מה שמעלה את כמות האנרגיה שהם יכולים לקלוט, ומאפשרים ניידות גבוהה של מטענים בתוך החומר בצורה יעילה מאוד, עם פיזור אנרגיה נמוך.
 תאים סולאריים דקים מסוג CIGS (נחושת-אינדיום-גליום-סלניום) הם בעלי יעילות גבוהה עם גמישות פיזית ומשקל קל בזכות טיפול וציפוי המשטחים שלהם, אם כי הם מסתמכים על יסודות נדירים כמו אינדיום וגליום.
 תאים סולאריים אורגניים (OPV) פועלים על ידי המרת אור השמש לחשמל באמצעות חומרים מוליכים למחצה אורגניים. אור השמש נבלע בחומר התורם ויוצר אקסיטון, בניגוד להפרדת המטענים המיידית שמתרחשת בתאים אנאורגניים.

 דרכי ייצור מערכות PV 
תהליך הייצור של תאים פוטו-וולטאיים (PV) מתבסס על טכנולוגית מצב מוצק (solid-state) עם שלבים אחדים ואורך חיים ממושך של 10–30 שנה. הטכנולוגיה הנפוצה ביותר כיום מבוססת על סיליקון גבישי (first generation), שכוללת טיהור קוורץ ליצירת פולי-סיליקון, דיפוזיה עם בור וזרחן ליצירת צמתי PN והוספת ציפויים ומגעים חשמליים. למרות היעילות הגבוהה, תהליך זה דורש אנרגיה רבה, במיוחד בשלב טיהור הסיליקון.

תאים מהדור השני (second-generation) כמו קדמיום טלוריד (CdTe) הם סוג של טכנולוגיית שכבות דקות, ועושים שימוש בפחות חומר ואנרגיה במהלך הייצור. ההשפעה הסביבתית שלהם נמוכה יותר וזמן ההחזר האנרגטי (EPBT) מהיר יותר מתאי סיליקון CdTe.

תאים מהדור השלישי (third-generation) נועדו להתגבר על מגבלות כמו גבול היעילות של שוקלי–קייסר  שמאפיין את הדורות הקודמים. טכנולוגיות אלו כוללות חומרים כמו CZTS, Zn₃P₂ ו־single-walled carbon nanotubes (SWCNTs). חומרים אלה עשויים מיסודות נפוצים ולא רעילים ובעלי פוטנציאל לקיימות גבוהה יותר ולתפוקה אנרגטית גבוהה יותר, אך נמצאים עדיין בשלבי פיתוח מעבדתיים.

 צמיחה וסטטיסטיקת שימוש 
ממוזער|התקנת מערכות סולאריות שנתיות לפי מדינה.
מאז 1992, השימוש העולמי בטכנולוגיות פוטו-וולטאיות עלה בצורה אקספוננציאלית. בסוף 2022, תאים סולאריים סיפקו כ-6% מצריכת החשמל העולמית, עם כושר ייצור כולל של 1,185 ג'יגה-ואט. הצמיחה המהירה הזו מלווה בירידת מחירים משמעותית של פאנלים סולאריים. בנוסף, מאז 2010 המחיר של חשמל מאנרגיית שמש צנח ב-85%, מחיר המתחרה במחירי חשמל מדלק מאובנים.

לפי תחזיות, אם הגדילה האקספוננציאלית תמשיך כמו הגדילה בין 2015–2020, חשמל משמש ורוח יגיע ל-45% מסך ייצור החשמל הגלובלי.

 יתרונות וחסרונות 
 יתרונות 
זיהום – כמות האנרגיה המגיעה לכדור הארץ מהשמש היא בערך פי 10,000 מהשימוש הממוצע של בני אדם. בנוסף לאנרגיה סולארית יש את הצפיפות אנרגיה בין הגבוהות ביותר לעומת שאר האנרגיות המתחדשות.

פוטנציאל השקעה במחקר – בהשוואה למקורות אנרגיה אחרים, מעט מאוד כסף הושקע במחקר של פיתוח תאים סולאריים, מה שיכול לרמוז על כך שיש מקום רב לשיפור. למרות זאת, תאים סולאריים עם יעילות גבוהה כבר הגיעו ליעילות של מעל 40% עבור תאים מרובי צמתים והיעילות בתחום ממשיכה לעלות בזמן שמחירי הייצור נמצאים בירידה.

 חסרונות 
מחיר סביבתי של הייצור – אנרגיה סולארית מתאים פוטו-וולטאיים אינה "אנרגיה נקייה". תהליך הייצור מייצר גזי חממה שמזהמים את הסביבה, והתאים בנויים מחומרים שכרגע אין דרך למחזר אותם. בנוסף, רבים מהחומרים המשמשים לבניית תאים אלו הם רעילים לבני אדם והסביבה (כגון עופרת).

 ראו גם 
 האפקט הפוטו-וולטאי
 תא פוטו-וולטאי
 פאנל סולארי

קישורים חיצוניים

 הערות שוליים 

2025 06
קטגוריה:אנרגיה סולארית
קטגוריה:ייצור חשמל
קטגוריה:רכיבים חשמליים
קטגוריה:ארצות הברית: המצאות