פרובסקיטים שוברים את חוקי הסולר

פרובסקיטים מסוג עופרת־הליד (lead-halide) יעילים להפליא בהמרת אור שמש לחשמל, אפילו כאשר הם מלאים בזיהומים ופגמים מבניים. ביצועיהם מתקרבים כיום לאלו של תאים סולריים מבוססי סיליקון, אשר שלטו בתעשייה זמן רב. מחקר חדש מציג כעת הסבר מפורט ליעילות בלתי צפויה זו. הממצאים פותרים תעלומה מדעית שהעסיקה חוקרים רבים בעולם במשך שנים ופותחים דלתות לפיתוחים.

הדבר מעלה שאלה מתבקשת: כיצד חומר פשוט וזול למדי יכול להתחרות בטכנולוגיית סיליקון מלוטשת שפותחה עשרות שנים? ב־15 השנים האחרונות, פרובסקיטים הופיעו כמועמדים מבטיחים לדור הבא של תאים סולריים. בניגוד לסיליקון, המצריך פרוסות טהורות ויקרות במיוחד, אפשר לייצר חומרים אלה באמצעות שיטות זולות ומבוססות תמיסה, תוך שמירה מלאה על ביצועים דומים ואיכותיים להפקת אנרגיה.

חוקרים במכון למדע וטכנולוגיה זיהו לאחרונה את המנגנון הבסיסי שעומד מאחורי תכונות יוצאות דופן אלו. ממצאיהם חושפים ניגוד מפתיע בהשוואה לטכנולוגיה הסולרית המסורתית המוכרת. אם סיליקון תלוי בטוהר כמעט מושלם כדי לתפקד ביעילות, פרובסקיטים דווקא מרוויחים מהפגמים שבהם. רשת טבעית של פגמים מבניים מאפשרת למטענים חשמליים לעבור מרחקים ארוכים, והדבר חיוני מאוד להמרת אנרגיה יעילה ומהירה.

המונח פרובסקיטים מסוג עופרת־הליד נוגע לקבוצת תרכובות שזוהתה לראשונה בשנות ה־1970. בתחילה הם עוררו עניין מועט, אך המצב השתנה לחלוטין לקראת שנת 2010, כאשר התגלתה יכולתם המרשימה והמפתיעה להמיר אור לחשמל. מאז, חומרים מיוחדים אלו הפגינו פוטנציאל רב ומרשים גם בדיודות פולטות אור ובטכנולוגיות מתקדמות של גילוי וצילום קרני רנטגן בתחומים רבים.

כדי שתא סולרי יעבוד ביעילות, עליו לספוג אור שמש ולהמיר אותו מיידית למטענים חשמליים. תהליך פיזיקלי זה מייצר אלקטרונים בעלי מטען שלילי וחורים בעלי מטען חיובי. מטענים אלו צריכים לנוע לאחר מכן דרך החומר ולהגיע אל האלקטרודות כדי לייצר חשמל שמיש. המסע אינו פשוט, שכן המטענים חייבים לעבור מרחקים גדולים בלי להילכד בדרך.

בתאים סולריים מבוססי סיליקון, אתגר זה נפתר על ידי סילוק פגמים שעלולים ללכוד מטענים בדרכם. לעומת זאת פרובסקיטים מיוצרים בשיטות מבוססות תמיסה ומכילים באופן טבעי פגמים רבים מאוד. הדבר הופך את הביצועים המרשימים שלהם למפתיעים עוד יותר מתמיד.

מדענים תהו כיצד מטענים יכולים לנוע ביעילות רבה דרך חומר פגום כל כך ומדוע הם נשארים מופרדים בהצלחה. כדי להסביר סתירה זו, החוקרים הציעו כי כוחות פנימיים עוצמתיים מושכים ומרחיקים את האלקטרונים והחורים זה מזה באופן פעיל. בדיקות אופטיות אישרו, כי קיימים כוחות המפרידים בין מטענים מנוגדים. הפרדה זו מתרחשת באזורים ספציפיים המכונים קירות מתחם, שבהם מבנה החומר משתנה מעט. קירות מתחם אלו יוצרים רשתות ארוכות ומחוברות לאורך כל מבנה החומר המורכב.

מבנים אלו משמשים למעשה כמסלולים המנחים את המטענים החשמליים דרך החומר. כאשר נוצר זוג של אלקטרון וחור בקרבת קיר מתחם, השדה החשמלי המקומי מפריד ביניהם ומציב אותם בשני צדדים מנוגדים. מכיוון שאינם יכולים להתחבר מיד, הם מסוגלים לנוע לאורך הקירות למרחקים ארוכים. קירות אלו מתפקדים כמו כבישים מהירים לנושאי המטען החשמלי ביעילות מרבית.

הבנה חדשה זו מספקת הסבר מקיף להתנהגותם המיוחדת של פרובסקיטים ופותרת ויכוח ארוך בקהילה המדעית. במקום להתמקד רק בשינוי ההרכב הכימי, החוקרים יכולים כעת להתמקד בהנדסת המבנה הפנימי של החומרים. גישה חדשנית זו עשויה להגדיל את היעילות במידה ניכרת, ולסייע בהבאת הטכנולוגיה הסולרית הזו לשימוש מסחרי נרחב ברחבי העולם.

לפרטים נוספים