יש חדש תחת השמש

הם "הדבר הגדול הבא" בתחום האנרגיה הסולארית, אבל מהן התכונות המיוחדות שמאפשרות לחומרים אלו להמיר אנרגיית שמש לחשמל ביעילות רבה כל כך? מחקר חדש של מדעני מכון ויצמן למדע מפזר חלק מהמסתורין סביב פרובסקיטים האלידיים (halide perovskites).   

פרובסקיטים הם משפחת חומרים בעלי מבנה גבישי ייחודי, המשמשים, בין היתר, את תעשיית האלקטרוניקה. מינרל בעל מבנה זה זוהה לראשונה בהרי אורל שברוסיה בשנת 1839 ונקרא על שמו של המינרלוג הרוסי, הרוזן לב פרובסקי.

בשנת 2009 גילו מדענים יפאניים כי פרובסקיטים האלידיים – כלומר פרובסקיטים המכילים אטומים של כלור, ברום או יוד בגביש שלהם – מסוגלים לבלוע את אור השמש ולהפוך אותו לאנרגיה חשמלית. מאז התקדם המחקר בתחום בקצב מסחרר, וכיום עשרות חברות מסביב לעולם מתחרות ביניהן מי תהיה הראשונה לייצר באופן מסחרי תאים סולאריים מחומרים אלה. במקביל, מדענים, ובהם חוקרים במכון ויצמן למדע, מנסים להבין מה הופך את החומרים האלה למיוחדים כל כך.

יעילותם של תאים סולאריים מפרובסקיטים האלידיים זינקה מערך התחלתי של כ-4% (כשלעצמו שיעור גבוה עבור ניסוי בחומר חדש), ל-22% בשנת 2016. "אנו עוסקים בחקר תאים סולאריים ארבעה עשורים, ועלייה דרמטית כזו עוד לא ראינו", אומר פרופ' דוד כאהן מהמחלקה לחומרים ופני שטח, אשר הוביל את קבוצת המחקר עם פרופ' גרי הודס ופרופ' איגור לובומירסקי מאותה מחלקה ופרופ' דן אורון מהמחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות. 

תאים סולאריים עשויים כיום ברובם מסיליקון, שיעילותו מגיע ל-17% בתאים מסחריים ול-26.5% בכאלה המיוצרים במעבדה. סיליקון יעיל בעיקר בהמרת אנרגיה של אור אדום ואינפרה-אדום, אך לא של רוב גלי האור הנראים לעין – ובמיוחד לא גלי אור בתחום הכחול והירוק. פרובסקיטים האלידיים יכולים להגדיל את ניצול האור הנראה לעין. בעתיד אפשר יהיה לשלבם עם סיליקון, וכך להגביר את יעילותם של תאים סולאריים.

יותר מכך, ניתן לייצר תאים סולאריים מפרובסקיטים בצורה זולה ופשוטה בטמפרטורת החדר. זאת בניגוד לתאי סיליקון, שייצורם דורש חום גבוה וטכנולוגיה מורכבת. "פרובסקיטים האלידיים הם התגשמות חלום בתחום החומרים האופטו-אלקטרוניים", אומר פרופ' כאהן.

אך מקור היעילות הגבוהה של חומרים אלה הייתה עד כה בגדר תעלומה. עקב הקשרים האטומיים החלשים יחסית פרובסקיטים האלידיים רכים כמו עץ או עצם – וחלק מהמבנה המולקולרי שלהם אינו סדיר. למרות זאת, בתכונות החשמליות שלהם ובהמרת אנרגיית שמש לחשמל הם מתחרים עם מוליכים למחצה קשיחים באיכויות הגבוהות ביותר.

אלה הם חומרים לא-שגרתיים, ולכן נדרשה שיטה לא-שגרתית על מנת לגלות את תכונותיהם"

הסבר אחד שהוצע היה כי פרובסקיטים האלידיים הם בעלי תכונה המכונה "פרואלקטריות" (ferroelectricity): כלומר, בנוכחות שדה חשמלי גבוה מספיק הם מקבלים קיטוב  חשמלי. מאמצים רבים הושקעו כדי לבדוק אם תכונה זו אכן מאפיינת פרובסקיטים האלידיים, אך לא ניתן היה לבדוק זאת בשיטות הרגילות כי השדה החשמלי הגבוה הרס אותם.

עם זאת, כפי שדווח באחרונה בכתב-העת המדעי Proceedings of the National Academy of Sciences, USA, מדעני המכון מצאו דרך לעקוף את הבעיה: הם ערכו ניסויים בטמפרטורה נמוכה של מינוס 70 מעלות צלסיוס, כך שתנאי הקור שמרו על יציבות החומרים. בנוסף, הם מדדו את המוליכות של החומר ולא את האגירה של המטען החשמלי כפי שנהוג בניסויים מסוג זה. דפוס המוליכות איפשר להם להוכיח כי חומרים אלה הם אכן פרואלקטריים.

המדענים סיפקו הוכחה נוספת על ידי צריבה של שטח החומר באמצעות אצטון. בשיטה זו הם חשפו קיומו של מבנה האופייני לחומרים פרואלקטריים: יחידות מבניות הקרויות "איזורים מקוטבים" (polar domains) – מעין "לבנים" מיקרוסקופיות בגודל כמה ננומטרים או מיקרונים בעלות מטען שלילי בצד אחד וחיובי בצד אחר. יחידות אלה יכולות למנוע מאלקטרונים המעוררים על ידי אור השמש לחזור למצבם האנרגטי הקודם. תכונה זו מסוגלת להפחית משמעותית את המרת האנרגיה הסולארית לחום במקום לחשמל, ולכן היא יכולה להסביר את היעילות חסרת התקדים של פרובסקיטים האלידיים.

"אלה הם חומרים לא-שגרתיים, ולכן נדרשה שיטה לא-שגרתית על מנת לגלות את תכונותיהם", אומר סטודנט המחקר יבגני רקיטה, המחבר הראשון של המאמר לצד מדען הסגל ד"ר דוד אהרה. "מדובר בשילוב נדיר ביותר: פרובסקיטים האלידיים הם חומרים רכים, אך הם מתנהגים כמו מוליכים למחצה קשיחים קלאסיים". עוד השתתפו במחקר גם אלנה מירזדה, הדר קסלסי,  יגל פלג ועמרי בר-אלי.

ממצאי המחקר פותחים צוהר להכרת התכונות של מוליכים למחצה רכים – ועשויים לתרום במיוחד להבנה עמוקה של התכונה הפרואלקטרית בחומרים אלה. כמו כן, המחקר מקדם הבנה הדרושה לפיתוח של תאים סולאריים העשויים מפרובסקיטים האלידיים.