תא סולרי מבוסס שכבות דקות

תא סולארי מבוסס שכבות דקות הוא סוג של תא סולארי המיוצר על ידי ציפוי מצע דוגמת זכוכית, פלסטיק, או מתכת בשכבה אחת או יותר של חומרים פוטו-וולטאיים. עוביו של תא סולארי מבוסס שכבות דקות נע בין מיקרומטרים לננומטרים ספורים, דק בהרבה בהשוואה לתא סולארי מבוסס משטחי סיליקון גבישי (c-Si) אשר עוביו עשוי להגיע עד 200 מיקרומטר. שימוש מסחרי בתא סולארי מבוסס שכבות דקות נעשה במספר טכנולוגיות, בהן קדמיום-טלוריד (CdTe), נחושת אינדיום גליום די-סלניד (CIGS) וסיליקון אמורפי דק שכבה (a-Si, TF-Si).

 רקע 
תא סולארי יסווג לרוב לפי דורות, בהסתמך על השכבות הפעילות (בולעות-אור) בהן נעשה שימוש ליצירתו. הדור הראשון של תא סולארי הוא מבוסס סיליקון חד-גבישי או סיליקון רב-גבישי. זוהי הטכנולוגיה הנפוצה ביותר השלטת ברוב המערכות להפקת אנרגיה סולארית. תא סולארי מבוסס שכבות דקות לרוב מסווג כבן דור שני, כאשר הכנתו מבוססת חומרים שנחקרו היטב, דוגמת סיליקון אמורפי (a-Si),  (CdTe),  (CIGS), או גליום ארסניד (GaAs). תא סולארי המיוצר מחומרים חדשים יותר שטרם נפוץ והתבסס השימוש בהם יסווגו כבני הדור השלישי. תא סולארי בן הדור השלישי כולל מספר טכנולוגיות שכבות דקות חדשניות, בהן פרובסקיטים, חומרים מעוררי-צבע, נקודות קוונטיות ((Quantum Dots) חומרים אורגניים למיניהם, ונחושת אבץ בדיל גפרתי (CZTS).

לתאי שכבות דקות מספר יתרונות בהשוואה לתאי דור ראשון מבוססי סיליקון, דוגמת משקל קל יותר וגמישות הודות לדקות השכבה. תכונה זו הופכת אותם למתאימים למבנים מוטמעי תאים פוטו-וולטאיים וכן כציפוי שקוף למחצה עבור חלונות. ביישומים מסחריים נוספים נעשה שימוש בשכבות דקות ליצירת תא סולארי קשיח (כאשר השכבה הדקה ממוקמת בין שתי לוחיות זכוכית) בחלק מתחנות הכוח הפוטו-וולטאיות הגדולות בעולם. בנוסף, החומרים המשמשים ליצירת תאי שכבות דקות מיוצרים בשיטות פשוטות ברות תפוקה גבוהה, אשר יעילותן גבוהה בהשוואה לשיטות הייצור של תאי דור ראשון, מה שמוביל להקטנת ההשפעה הסביבתית כגון פליטת גזי חממה במקרים רבים. כמו כן נודעת לתאי שכבות דקות המשמשים להפקת חשמל עדיפות על פני אנרגיה מתחדשת ולא מתחדשת כאחת מבחינת רעילות לאדם ופליטת מתכות כבדות.

על אף שבתחילה התגלעו אתגרים מבחינת , בייחוד בחומרי תאים פוטו-וולטאיים בני הדור השלישי, משנת 2023 הושגו ערכי יעילות של עד 29.1% עבור תאי  משכבות דקות של גליום ארסניד, ערכים אלו מתעלים על יעילות מרבית של 26.1% אשר הושגה עבור תאי דור ראשון פשוטים. נכון ל-2023, תא מרכז  (Multi-junction concentrator cell) המשלב טכנולוגיות שכבות דקות הגיע ליעילויות של עד 47.6%.

ישנן טכנולוגיות שכבות-דקות אשר נמצאו כבעלות משך זמן תפקוד קצר וקצב דגרדציה גבוה בהשוואה לתאי דור ראשון, זאת על פי  (accelerated life testing). נתונים אלו תרמו במידת מה לצמצום תפוצתם של תאי שכבות דקות. נכון ל-2023, נתח השוק של תאי שכבות דקות מכלל שוק התאים הפוטו-וולטאיים עומד על כ-5%. על אף האמור לעיל, בארצות הברית גדל הביקוש לטכנולוגיות מבוססות תאי שכבות דקות ושם תאי CdTe לבדם היוו כ-30% מפריסת תחנות הכוח החדישות ב-2022.

 עקרון פעולה 
בתא סולארי רגיל, האפקט הפוטו-וולטאי מנוצל להפקת חשמל מקרינת השמש. התא הסולארי מכיל שכבה בולעת אור המכונה "שכבה פעילה", העשויה מחומר מוליך למחצה (מל"מ). בחומר מוליך למחצה קיים פער אנרגטי (Bandgap) בין פס הערכיות המאוכלס באלקטרונים, לפס הולכה בעל רמה אנרגטית גבוהה יותר. בטמפרטורת החדר, אלקטרונים יאכלסו ברוב את פס הערכיות, פס ההולכה במצב זה יהיה ריק או מאוכלס בכמות אלקטרונים זניחה. בהינתן אנרגיה מספקת ממקור חיצוני, ניתן  מפס הערכיות לפס ההולכה. אלקטרון מעורר מותיר מאחוריו חלל בשל חסרונו, אותו חלל מוגדר כחור, מעין חלקיק בעל מטען חיובי. כאשר אלקטרון מעורר לפס ההולכה, הוא יכול לנוע בחופשיות בחומר, באותו אופן החור ינוע בפס הערכיות, בכך תתקבל הולכה חשמלית של אלקטרונים וחורים. בשל תרומתם להולכה חשמלית, אלקטרונים וחורים מכונים "נשאי מטען".

ניתן לעורר אלקטרון במוליך למחצה על ידי מתן אנרגיה תרמית, או באמצעות הקרנת אור. עירור אלקטרון באמצעות אור יתאפשר בתנאי שקרן האור היא באורך גל בעל אנרגיה זהה לפער האנרגטי של המוליך למחצה או גבוהה ממנו, כך שהקרן עשויה להיבלע בחומר ולהביא לעירור אלקטרונים. באם אנרגיית קרן האור נמוכה מפער האנרגיה, פוטונים לא יבלעו ולא יתרחש עירור אלקטרוני. לדוגמה, פער האנרגיה עבור סיליקון הוא 1.12eV, כך שיידרש פוטון באורך גל בעל אנרגיה של לפחות 1.12 eV כדי להביא לעירור אלקטרונים בסיליקון.
ממוזער|פער האנרגיה

תא סולארי, כאשר פוטונים מקרני השמש נבלעים בשכבה הפעילה, מתרחש עירור אלקטרוני ונוצרים זוגות אלקטרון-חור. זוגות אלה יכולים לנוע בחומר ולתרום להולכה החשמלית. עם זאת, במצב בו צמד אלקטרון-חור לא נפרדים לאחר עירור, תיתכן דעיכה של האלקטרון לרמת הערכיות כך שהאלקטרון והחור יתאחו מחדש בתהליך המכונה רקומבינציה. במהלך הרקומבינציה האלקטרון מאבד אנרגיה ופולט אותה בצורת פוטון בעל אורך גל מסוים. תופעת הרקומבינציה משמשת בהתקני דיודות פולטות אור (LED).

כדי לאפשר הפקת חשמל מתא סולארי, דרושה הפרדה בין אלקטרונים וחורים ומזעור תהליכי איחוי-מחדש. הדרך הנפוצה למניעת תהליכי איחוי היא יצירת צומת חיובית שלילית, הידועה כצומת PN. צומת חיובית שלילית מתקבלת על ידי אילוח של מל"מ באטומים תורמי אלקטרונים (סוג N) ובאטומים מקבלי אלקטרונים (סוג P). האילוח מביא לכך שבמקום המפגש בין האזור השלילי N והאזור החיובי P ייווצר פוטנציאל כימי, כך שאלקטרונים ינועו לאזור P וחורים ינועו לאזור N. בסוף תהליך תנועת החורים והאלקטרונים, יוותרו יונים טעונים שייצרו תווך בעל פוטנציאל חשמלי, אזור זה במל"מ מכונה "צומת PN" או ”שכבת המחסור". באמצעות שכבת המחסור ניתן לשלוט על תנועת נשאי המטען, שכן השדה החשמלי מהווה מחסום המונע מעבר של נשאי מטען מהאזור השלילי לחיובי ולהפך, מה שהופך את הצומת לאזור מחוסר מטענים, ומכאן שמה "אזור המחסור". באזור ה-N נשאי המטען ברוב הם אלקטרונים ונשאי המטען במיעוט הם חורים, בעוד שבאזור ה-P נשאי המטען ברוב הם חורים ואילו נשאי המטען במיעוט הם אלקטרונים.
ממוזער|צומת PN

כאשר קרן אור גורמת לעירור אלקטרון באזור המחסור, הוא יואץ על ידי השדה החשמלי אל עבר האזור השלילי N, ויותיר אחריו חור, יתרחש יינון לאיחוי החור, תהליך שניתן להתייחס אליו כאל תנועת חורים, כך שתתקבל זרימת אלקטרונים וחורים כלומר זרם חשמלי.

בתא סולארי דק שכבה, התהליכים המתוארים לעיל דומים, אם כי שכבת המוליך למחצה (השכבה הפעילה) דקה בהרבה. ניתן לייצר שכבות דקות בהתאם לתכונותיו של החומר, כאשר יעילות השכבה נמדדת כיכולתו של החומר להמיר מספר מסוים של פוטונים לקבלת אנרגיה חשמלית ביחס לעובי השכבה. דוגמה לגורם המשפיע על היעילות החשמלית הוא סוג פער האנרגיה. עבור פער ישיר, עירור האלקטרון לא כולל שינוי בתנע שלו, בעוד עבור פער עקיף, תנע האלקטרון משתנה, מה שגורם לאובדן אנרגיה בצורת חום על ידי ויברציות בגביש המל"מ (פונונים), מה שיבוא לידי ביטוי באובדן יעילות התפוקה החשמלית.

 חומרים 
קיימים מספר סוגי חומרים המשמשים ליצירת תא סולארי מבוסס שכבות דקות. חומרים אלו מסווגים לפי דורות

 חומרי דור שני 
 קדמיום טלוריד (CdTe) 
קדמיום טלוריד (CdTe) הוא חומר קלקוגנידי המהווה גורם מרכזי בתעשיית השכבות הדקות. הוא משמש בכ-5% מתעשיית ההתקנים הפוטו-וולטאיים. נכון ל-2013 יעילות התא במעבדה משתווה לזו של סיליקון רב גבישי. קיים חשש לגבי חומר זה המכיל קדמיום, אשר ידוע כרעיל. בעתיד עלול להתווסף היבט הכדאיות הכלכלית שכן טלור היא מתכת נדירה אשר שכיחותה משתווה לזו של פלטינה.

 נחושת אינדיום גליום סלניד (CIGS) 
בדומה ל-CIGS ,CdTe ונגזרותיו הן תרכובות קלקוגנידיות. עבור תא סולארי מבוסס CIGS נמדדו יעילויות מעבדה המגיעות לכ-23%. נתח השוק של CIGS הוא כ-0.8% נכון ל-2021. בשנים האחרונות חברות צימצמו או הפסיקו ייצור תאי CIGS, אם כי עדיין מתקיים מחקר הנוגע לשיפור היבטים שונים של תאים אלו.

 סיליקון אמורפי (a-Si) 
סיליקון אמורפי (a-Si) הוא סיליקון לא גבישי, כלומר חסר סידוריות מחזורית, הנחשב לנפוץ ביותר מבחינת השימוש בו עבור טכנולוגיות שכבות דקות, נכון ל-2025. הוא מהווה תחליף לפרוסת הסיליקון שקדמה לו. קיים עניין תעשייתי בחומר זה שכן סיליקון אינו רעיל, שכיחותו גבוהה וכמות החומר הנדרש לציפוי קטנה. ייצור שכבה דקה מסוג זה נעשה בעיקר בשיטות  שונות. פער האנרגיה של a-Si הוא 1.7eV כך שטווח הבליעה שלו רחב ונע בין האינפרה אדום לאולטרה סגול. הוא מתפקד היטב גם בתנאי תאורה קלושה, כך שניתן להפיק חשמל מתא זה גם בשעות הבוקר המוקדמות, סמוך לשקיעה ובימים מעוננים. על אף האמור לעיל, יעילות תאי a-Si יורדת בכ-10 עד 30 אחוזים בששת חודשי העבודה הראשונים, אפקט הידוע כהנובע מחשיפה ממושכת לאור שמש.

 גליום ארסניד (GaAs) 
גליום ארסניד הוא חומר מוליך למחצה משולב מחומרי טורים III-V בטבלה המחזורית, אשר פער האנרגיה שלו ישיר. זהו חומר נפוץ בתאים סולאריים מבוססים שכבות דקות חד גבישיות. מדובר באחד החומרים הטובים ביותר עבור תאי שכבות דקות הודות לעמידותו בחום וערכי היעילות הגבוהים שהוא מציג המגיעים ל-29.1% נכון ל-2019. שיטת הייצור הנפוצה לתאי GaAs היא . על אף יעילותם הגבוהה, עלות החומרים ותהליכי הייצור אינם כדאיים כלכלית ועל כן השימוש התעשייתי בהם אינו נפוץ. השימוש העיקרי ב-GaAs רווח בתאים מרובי צמתים לציוד חלל.

 חומרי דור שלישי 
המעבדה הבין לאומית לאנרגיה מתחדשת (NREL) מגדירה מספר חומרים הנחקרים כבעלי פוטנציאל לשמש ליצירת שכבות דקות, אך השימוש בהם עדיין לא הפך למסחרי. מדובר בחומרים אורגניים, לרוב אורגנו-מתכתיים, וכן חומרים אינאורגניים. בתחילת המחקר של חומרים אלו נמדדו עבורם יעילויות נמוכות. עם התקדמות מחקר חומרים אלו נרשמה עבורם התקדמות משמעותית, גידול במדדי היעילות, וצפי לגבור על מחסום שוקלי-קוייזר ליעילות תא סולארי בעל צומת אחת. משאבים רבים מופנים לחקר חומרים אלו הודות להערכות כי באמצעותם ניתן יהיה לשפר את יעילותם של תאים סולאריים ולהקטין את עלויות הייצור שלהם.

 נחושת אבץ בדיל גפרתי (CZTS) 
נחושת אבץ בדיל גפרתי או Cu(Zn,Sn)(S,Se)2 שייכת למשפחת הקלקוגנידים (בדומה ל-CIGS ו-CdTe) ומכונים לעיתים קסטריטים. מדובר בחומר המורכב מיסודות לא רעילים בעלי שכיחות גבוהה. פער האנרגיה של חומר זה ניתן לכוונון על ידי שינוי היחס בין גפרית לסלניום. גורם מרכזי הפוגע ביעילות תאים אלה הוא הימצאותם של דפקטים בחומר. יעילויות תא מבוססי CTZS מגיעים ל-14.9% נכון ל-2025.

 שיטות ייצור 
דפוזיציית שכבות דקות היא שם כולל למגוון שיטות לציפוי משטחים בשכבות דקות מאוד של חומר, אשר עוביין נע מננומטרים ספורים ועד מאות מיקרומטרים. כמו כן, שיטה זו יכולה לשמש לציפוי על גבי שכבות קיימות.

את השיטות המשמשות לייצור שכבות דקות בתאים סולאריים, ניתן לחלק לשני סוגים: 1. דפוזיציה כימית- מתרחשת כאשר פני שטח של מצע עוברים שינוי כימי, ציפוי המצע נעשה באמצעות חומר מוצא (פרקורסור) נוזלי נדיף. 2. דפוזיציית אדים פיזיקלית (PVD) בה החומר משוחרר ומצפה מצע בתהליכים מכניים, אלקטרומכניים או תרמודינמיים.

בשיטת דפוזיציית אדים כימית (CVD) חומר במצב גזי משוקע כך שיתקבל ציפוי מוצק על גבי מצע. נעשית לרוב תחת וואקום.

שיטת הספטרינג (Sputtering) היא תהליך המתבצע בתא וואקום. בשיטה זו חומר מטרה מופגז בחלקיקים יוניים בעלי אנרגיה קינטית גבוהה. ההפגזה גורמת לאידוי חומר המטרה שישוקע על גבי מצע לקבלת ציפוי.

 הערות שוליים 

קטגוריה:אנרגיה סולארית
קטגוריה:אנרגיה מתחדשת
קטגוריה:מוליכים למחצה