תאי שמש פרובסקיט: הפוטנציאל של מערכות פוטו-וולטאיות שקופות עבור מבנים מודרניים ופרויקטים פוטו-וולטאיים - תמונה: Xpert.Digital
מעבר אנרגטי שקוף: ייצור חשמל באמצעות טכנולוגיית חלונות חדשנית
תאי שמש פרובסקיט: יצרני העתיד של חלונות חכמים
פיתוח תאים סולאריים שקופים ובעלי יעילות גבוהה פותח פרספקטיבות חדשות לשילוב אנרגיה פוטו-וולטאית בבניינים. תאי שמש פרובסקיט, בפרט, צצו בשנים האחרונות כמועמד מבטיח ליישום זה. עם יעילות של עד 31.6 אחוזים, אפשרות לעיצובים שקופים וייצור חסכוני, הם עשויים לחולל מהפכה בשימוש באנרגיה סולארית. מחקרים עדכניים מראים כי היציבות הבעייתית של תאים אלה שופרה משמעותית. יישומים כמו חלונות חכמים, אשר לא רק מייצרים חשמל אלא גם יכולים להתאים את שקיפותם לתנאי הסביבה, הם מבטיחים במיוחד.
מתאים לכך:
יסודות טכנולוגיית השמש הפרובסקיטית
תאי שמש פרובסקיט מייצגים פיתוח חדש יחסית בתחום הפוטו-וולטאית, כאשר מחקר אינטנסיבי החל רק בשנת 2009. הם חבים את שמם למינרל פרובסקיט, אשר מבנה הגביש האופייני שלו הם מציגים. תאים סולאריים אלה מבוססים על מה שנקרא פרובסקיטים הלידיים, חומר היברידי המורכב מרכיבים אורגניים בעלי מטען חיובי כגון קטיוני מתיל אמוניום ומלחי מתכת אנאורגניים כגון יודיד עופרת. הרכב החומר והמבנה הייחודיים שלהם שונים באופן מהותי מתאי שמש סיליקון מסורתיים, מה שהופך אותם למועמד מבטיח לעתיד האנרגיה הסולארית.
הפונקציונליות של תאי שמש פרובסקיט מסתמכת על יכולתם המצוינת להמיר אור שמש לאנרגיה חשמלית. מדענים במרכז המחקר יוליך גילו, באמצעות מדידות פוטולומינסנציה חדשניות, כי נושאי מטען חופשיים בתאי שמש פרובסקיט מוגנים בצורה יוצאת דופן מפני דעיכה, וזו יכולה להיות סיבה מרכזית ליעילותם הגבוהה. אורך החיים של נושאי המטען המעוררים בחומר הוא גורם מכריע ליעילותם של תאים סולאריים אלה, שכן הוא קובע כמה זמן האלקטרונים המשתחררים על ידי האור נשארים זמינים ויכולים לתרום לייצור חשמל.
בשנים האחרונות, הפיתוח הטכנולוגי של תאים סולאריים אלה עשה התקדמות מרשימה. בעוד שתאי השמש הפרובסקיט הראשונים היו בעלי יעילות צנועה של 4 אחוזים בלבד, הדגמים האחרונים משיגים באופן קבוע יעילות של יותר מ-20 אחוזים. מכון פראונהופר אף השיג ערך שיא של 31.6 אחוזים, בעוד שחברת Qcells הגרמנית הגיעה ליעילות של 28.6 אחוזים.
יתרונות של תאי שמש פרובסקיט שקופים
המאפיין הבולט ביותר של תאי שמש פרובסקיט בהשוואה למודולי סיליקון קונבנציונליים הוא הפוטנציאל שלהם לשקיפות בשילוב עם יעילות גבוהה. תכונה זו פותחת אפשרויות יישום חדשות לחלוטין, במיוחד בתחום הפוטו-וולטאית המשולבת בבניינים. ניתן לשלב תאים סולאריים שקופים או שקופים למחצה במשטחי חלונות, מה שמאפשר לבניינים לא רק להכניס אור אלא גם לייצר חשמל בו זמנית.
ניתן להתאים את מידת השקיפות במהלך תהליך הייצור בהתאם לדרישות, אם כי יש לציין כי יעילות המרת האנרגיה פוחתת עם העלייה בשקיפות. יעילות ההמרה הגבוהה ביותר שנמדדה עבור גרסאות שקופות עומדת כיום על 17.9 אחוזים מרשימים. פרויקט המחקר IMPRESSIVE הראה כי שילוב של טכנולוגיות יכול להמיר אנרגיה סולארית ביעילות של 14 אחוזים בהעברת אור ממוצעת של יותר מ-55 אחוזים. תאי פרובסקיט UV שקופים למחצה אף משיגים יעילות של יותר מ-10 אחוזים בהעברת אור של כ-60 אחוזים.
מלבד שקיפותם, תאי שמש פרובסקיט מציעים יתרונות בולטים נוספים. הם זולים יחסית וקלים לייצור, בדומה למודולים סולאריים בעלי שכבה דקה. הייצור דורש פחות אנרגיה באופן משמעותי בהשוואה לסיליקון, שכן ניתן לייצר פרובסקיטים באמצעות תהליכים פשוטים וניתנים להרחבה כמו הדפסה מגליל לגליל. יתר על כן, חומרי הגלם הדרושים זמינים בדרך כלל, מה ששומר על עלויות חומרים נמוכות.
יתרון מכריע נוסף הוא הקלות והגמישות של תאי השמש הפרובסקיט. ניתן ליישם אותם כשכבות דקות במיוחד על מצעים שונים, מה שמרחיב משמעותית את אפשרויות היישום שלהם. תכונה זו מאפשרת יישומים חדשניים במכשירים ניידים, כלי רכב או פתרונות פוטו-וולטאיים משולבים בבניינים כגון חלונות סולאריים או מודולים של חזיתות.
יישומים חדשניים באינטגרציה של מבנים
היכולת להפוך תאי שמש פרובסקיט לשקופים הופכת אותם לאטרקטיביים במיוחד עבור מערכות פוטו-וולטאיות משולבות בניין (BIPV), שבהן תאים סולאריים מחליפים חומרי בנייה מסורתיים כמו חלונות. הטמעת הפרובסקיט בין פנלים מאפשרת לתאים הסולאריים לשמש כחזית וקיר בפועל של בניין, ובמקביל לייצר חשמל לשימוש באתר או להזנתו לרשת החשמל.
חברת Panasonic Holdings הציגה דוגמה קונקרטית ליישום חדשני זה, והציגה מעקות זכוכית שקופים למחצה עם תאי שמש פרובסקיט במרפסת של בית לדוגמה מדרום לטוקיו. אבות טיפוס אלה מדגימים את הפוטנציאל לשילוב טכנולוגיית פרובסקיט באלמנטים יומיומיים של בנייה. פיזיקאים בלייפציג פיתחו גם תא סולארי שקוף שניתן להטמיע באדים ישירות על חלון, ובכך להפוך חזיתות שלמות לתחנות כוח.
התפתחויות בתחום החלונות התרמוכרומיים או "חכמים" מבטיחות במיוחד. מדענים מאוניברסיטת קליפורניה, ברקלי, פיתחו הרחבה פונקציונלית לחלון פוטו-וולטאי שמשנה את צבעו ושקיפותו עם שינויי טמפרטורה ויכול לייצר חשמל כאשר הוא מחשיך. המעבר ההפיך לחלון סולארי צבעוני מבוסס על שינוי פאזה של שכבות פרובסקיט דקות במיוחד.
במצבם השקוף, גבישי פרובסקיט קיימים במבנה קובי והם שקופים במידה רבה, בעוד שבטמפרטורה של כ-105 מעלות צלזיוס הם עוברים למבנה גבישי פחות שקוף, אך פעיל פוטו-וולטאית. מבנה זה חוסם כשני שלישים מהאור הנראה ומשיג יעילות של שבעה אחוזים. כאשר מקוררים לטמפרטורת החדר וחשופים ללחות מסוימת, שינוי פאזה זה יכול להתהפך, והחלון הופך שוב לשקוף.
מתאים לכך:
תכונות תרמוכרומיות עבור מבנים מותאמים לאקלים
התכונות התרמוכרומיות של חלונות מבוססי פרובסקיט יכולות לתרום תרומה משמעותית ליעילות האנרגטית של מבנים. בדומה למשקפי שמש בעלי הצללה עצמית, חלונות אלה יכולים לשנות צבע עם שינויי טמפרטורה, כאשר הטמפרטורה - בניגוד לעוצמת האור במשקפי שמש - היא הגורם המכריע. ככל שהטמפרטורה עולה, החלונית השקופה משנה בהדרגה את צבעה לצהוב, כתום, אדום או חום. ככל שהיא מתחממת יותר, כך הזכוכית מתכהה יותר, מה שמאפשר קירור אוטומטי של החדר ללא צורך במיזוג אוויר.
מנגנון זה יכול לתרום משמעותית להפחתת צריכת האנרגיה לחימום וקירור. בהתחשב בכך שחימום ומים חמים מהווים 25 אחוז מפליטות ה-CO2 באוסטריה, ובכך שמחקר של אוניברסיטת ברמינגהם צופה שמספר מכשירי הקירור ברחבי העולם יגדל פי ארבעה ל-14 מיליארד עד 2050, פתרונות חלונות חכמים כאלה יכולים לתרום תרומה משמעותית להגנת האקלים.
אתגרים ופתרונות
למרות תכונותיהם המבטיחות, תאי שמש פרובסקיט מתמודדים עם מספר אתגרים שהגבילו עד כה את יישומם המסחרי הנרחב. בעיה מרכזית היא יציבותם בתנאי סביבה אמיתיים. גבישי פרובסקיט נוטים להתבלבל ופגומים, מה שעלול להוביל לבעיות יציבות. הם עדיין לא מגיעים לאותו אורך חיים של תאי שמש מסיליקון והם רגישים ללחות, אור וחום. חיסרון משמעותי הוא עמידותם הנמוכה יותר בפני מזג אוויר, מכיוון שהחומר עלול להתכלות בתנאי מזג אוויר קיצוניים.
עם זאת, המחקר כבר עשה התקדמות משמעותית בהתגברות על אתגרים אלה. פנסוניק, לדוגמה, הצליחה לייצר גרסה יציבה יותר מבחינה כימית של החומר ולהגן עליו מפני פגעי מזג האוויר באמצעות שימוש בזיגוג כפול. מכון המחקר הבלגי Imec, שותף בקונסורציום המחקר EnergyVille, השיג פריצת דרך במחקר על מודולים סולאריים פרובסקיט . מחקר חיצוני בן שנתיים בקפריסין הדגים את היציבות ארוכת הטווח של מודולים מיני-פרובסקיט, שהשיגו יעילות אנרגטית מרשימה של 78 אחוזים לאחר שנה בחוץ - ערך שמודולים סולאריים פרובסקיט נוכחיים יכולים לשמור לעתים קרובות רק במשך מספר שבועות.
גם בתחום המיחזור חלה התקדמות. חוקרים משוודיה פיתחו שיטה למיחזור מלא וידידותי לסביבה של תאי שמש פרובסקיט. במקום להשתמש בדימתילפורמאמיד הרעיל כדי לפרק את התאים, כפי שהיה נהוג בעבר, הצוות משתמש במים כממס כדי לפרק את הפרובסקיטים המפורקים. לאחר מכן ניתן לעשות שימוש חוזר בכל החלקים בתא שמש פרובסקיט חדש מבלי לפגוע בביצועים - לתא הסולארי הממוחזר יש את אותה יעילות כמו למקור.
נותרו אתגרים ספציפיים עבור חלונות שמש תרמוכרומיים. טמפרטורת שינוי הפאזה הגבוהה יחסית, של קצת יותר מ-100 מעלות צלזיוס, תצטרך להיות מופחתת עוד יותר עבור יישומים מעשיים. יתר על כן, הלחות הנדרשת למיתוג הפיך עלולה לפגוע ביציבות ארוכת הטווח של שכבות הפרובסקיט. עם זאת, מכיוון שהרכב חומרי הפרובסקיט יכול להשתנות במידה ניכרת, מחקרים נוספים יוכלו לזהות תערובות חומרים ללא חסרונות אלה ובכך להגביר עוד יותר את היעילות.
פוטנציאל שוק ותחזיות עתידיות
השילוב של גמישות, יתרונות עלות ויעילות יוצאת דופן הופך את תאי השמש הפרובסקיט לטכנולוגיה מבטיחה למעבר האנרגיה. חוקרי שוק ב-IDTechEx צופים כי שוק הפוטו-וולטאית הפרובסקיט יגיע להיקף מכירות שנתי של כמעט 12 מיליארד דולר עד 2035. טכנולוגיה זו עשויה להחליף מודולים מבוססי סיליקון כטכנולוגיה פוטו-וולטאית דומיננטית בעתיד.
השילוב של פרובסקיט עם סיליקון בתאי טנדם נראה מבטיח במיוחד, שכן הוא יכול להשיג יעילות של עד 43 אחוזים - שיפור משמעותי לעומת מודולים של סיליקון טהור. ניתן להתאים חומרים פרובסקיט באופן ספציפי לניצול יעיל של אורכי גל שונים של אור שמש: בעוד פרובסקיט סופג אור קצר גל (כחול) טוב יותר, סיליקון מצטיין בטווח הגל הארוך (אדום).
תאי שמש פרובסקיט שקופים פותחים פרספקטיבות חדשות לחלוטין עבור אנרגיה פוטו-וולטאית משולבת בבניינים. כדי להחליף חלונות פסיביים בחלונות לייצור חשמל במהירות האפשרית, חוקרים פועלים לייעל את ביצועי הטכנולוגיות הללו ולהאיץ את מוכנותן לשוק של תאי פוטו-וולטאיים שקופים. אם ניתן להתגבר על האתגרים שנותרו בנוגע ליציבות ועמידות, חלונות סולאריים מבוססי פרובסקיט יוכלו לתרום תרומה משמעותית לייצור אנרגיה מבוזר באזורים עירוניים בעתיד הקרוב.
מעבר אנרגטי עירוני: חלונות לייצור חשמל בטכנולוגיית פרובסקיט
תאי שמש פרובסקיט, במיוחד הגרסאות השקופות שלהם ליישומי חלונות , מייצגים טכנולוגיה מבטיחה לעתיד הפוטו-וולטאית. הודות לשילוב של יעילות גבוהה, שקיפות, עלויות ייצור נמוכות וגמישות, הם מציעים יתרונות משמעותיים על פני תאי שמש מסיליקון קונבנציונליים. היכולת להפוך חזיתות מבנים וחלונות לגנרטורים מבלי לפגוע בתפקודם העיקרי יכולה לתרום תרומה מכרעת למעבר האנרגיה באזורים עירוניים.
ההתקדמות האחרונה בשיפור היציבות ואורך החיים של תאים אלה בתנאי סביבה אמיתיים מעודדת וסוללת את הדרך ליישום מסחרי רחב יותר. התכונות התרמוכרומיות של חלק מחלונות מבוססי פרובסקיט נראות חדשניות במיוחד, שכן הן יכולות לא רק לייצר חשמל אלא גם לתרום ליעילות האנרגטית של מבנים על ידי התאמת השקיפות שלהם.
בעוד שעדיין ישנם אתגרים שיש להתגבר עליהם, ההתפתחות המהירה של טכנולוגיית הפרובסקיט בשנים האחרונות מצביעה על כך שתאים סולאריים שקופים ויעילים במיוחד יוכלו בקרוב למלא תפקיד חשוב באדריכלות ובאספקת אנרגיה. טכנולוגיה חדשנית זו עשויה לשנות באופן עמוק את עתיד הבנייה - עם מבנים שחלונותיהם וחזיתותיהם לא רק אסתטיים, אלא גם תורמים באופן פעיל לאספקת האנרגיה.
מתאים לכך:
השותף הגלובלי שלך לשיווק ופיתוח עסקי
☑️ השפה העסקית שלנו היא אנגלית או גרמנית
☑️ חדש: התכתבויות בשפה הלאומית שלך!
Konrad Wolfenstein
אני שמח להיות זמין לך ולצוות שלי כיועץ אישי.
אתה יכול ליצור איתי קשר על ידי מילוי טופס יצירת הקשר או פשוט להתקשר אליי בטלפון +49 89 674 804 (מינכן) . כתובת הדוא"ל שלי היא: וולפנשטיין ∂ xpert.digital
אני מצפה לפרויקט המשותף שלנו.
