תא פוטו-וולטאי

"עץ סולארי", בעיירה גליסדורף, אוסטריה.

תא פוטו-וולטאי או תא סולארי (באנגלית: Solar cell או Photovoltaic cell) הוא התקן שממיר קרינה אלקטרומגנטית לאנרגיה חשמלית. זו שיטה בסיסית להפקת חשמל מאנרגיה סולארית, כאשר השיטה השנייה היא אנרגיה תרמו-סולארית. לפעמים מבחינים בין תא סולארי שנועד לתפוס אור שמש, בעוד שתא פוטו-וולטאי משמש להמרת אור כלשהו.

באופן בסיסי, ההתקן צריך למלא שתי פונקציות בלבד: פוטוגנרציה של נשאי מטען (אלקטרונים ו"חורים") בחומר בולע אור, והפרדה של נשאי המטען לחומר מוליך שישא את זרם החשמל. המרה זו נקראת האפקט הפוטו-וולטאי, ושדה המחקר שקשור לתאים סולאריים נקראה פוטוולטיקה (Photovoltaics).

מבנה התא הפוטו וולטאי

חתך בתא סולארי מבוסס צורן טיפוסי.

התא הפוטו וולטאי הנפוץ ביותר בנוי משתי שכבות צורן (סיליקון) שבכל אחת עקבות של יסוד כימי נוסף. לצורך הדגמה, בשכבה העליונה העקבות הן של היסוד ארסן ובתחתונה הן של היסוד בורון. לאטום צורן ארבעה אלקטרונים ברמה החיצונית והוא יוצר קשרים קוולנטיים עם ארבעה אטומי צורן אחרים.

לארסן חמישה אלקטרונים ברמה החיצונית, לכן ישנו אלקטרון "מיותר" בשכבה העליונה, אשר לא משתתף במבנה של הצורן. לכן ניתן לומר ששכבה זו שלילית למחצה.

לבורון שלושה אלקטרונים ברמה החיצונית, לכן נוצרים "חורים" במבנה הצורן ברמה החיצונית. לכן ניתן לומר ששכבה זו חיובית למחצה.

משום כך ישנה משיכה כימית בין השכבות, כאשר אלקטרון הארסן שואף להגיע אל 'חורי' הבורון.

אופן הפעולה

כאשר גלים אלקטרומגנטיים באורך המתאים נקלטים בשכבה העליונה, האלקטרונים ה"מיותרים" שבה משתחררים ממשיכת הגרעין והופכים חופשיים. המשיכה הרבה של השכבה התחתונה גורמת לאלקטרונים החופשיים לנוע מהשכבה העליונה דרך המוליך אל השכבה התחתונה.

הדבר יוצר יונים חיוביים (קטיונים) של ארסן בשכבה העליונה, ויונים שליליים (אניונים) של בורון בשכבה התחתונה. עובדה זו גורמת למשיכה בין היונים ובעקבות כך למסירת אלקטרונים מהשכבה התחתונה אל העליונה. מעגל זה יימשך כל עוד מקור האור זמין.

ניתן להשתמש בתהליך זה כאשר מחברים למוליך מכשיר חשמלי כלשהו.

גורמי יעילות בתא פוטו-וולטאי

יעילות המרת אנרגיה

יעילות המרת אנרגיה (Energy conversion efficiency) של תא סולארי, ([math]\displaystyle{ \eta }[/math], "אתה"), היא אחוז הכוח שמומר (מאור נקלט לאנרגיה חשמלית) ונאסף כאשר התא הסולארי מקושר למעגל חשמלי. מחשבים מונח זה על ידי היחס של Pm מחולק בכמות הנכנסת של קרינת האור ליחידת שטח (Irradiance) בתנאי מבחן "סטנדרטיים" (E, ביחידות W/m²) ושטח הפנים של תא סולארי (Ac ביחידות m²). ובמשוואה:

[math]\displaystyle{ \eta = \frac{P_{m}}{E \times A_c} }[/math]

בצהריים השמשיים ביום בהיר בו השמש נמצאת בזנית, קרינת השמש בקו המשווה עומדת על כ-1,000 W/m². לכן הקרינה השמשית ה "סטנדרטית" היא בעלת צפיפות כוח של 1,000 וואטים למטר מרובע. כך שתא סולארי בעל יעילות המרה של 12% בעל שטח של 1 מטר רבוע יפיק ביום כזה בקו המשווה כ-120 וואט של כוח שיא.

יעילות קוואנטית

יעילות קוואנטית מתייחסת לאחוז הפוטונים שמייצרים זוגות של חור-אלקטרון (או נשאי מטען). זהו מונח שהינו אינרטי לחומר הקולט ולא לתא כולו (דבר שהינו רלוונטי יותר לתאים סולאריים דקים (Thin-film). אין לבלבל בין מונח זה לבין יעילות המרת אנרגיה, היות ודבר זה לא נותן מידע לגבי הכוח שנאסף על ידי תא השמש.

השוואת יעילות המרת אנרגיה

היעילות של תאים סולאריים נעה כיום (2007) בין 6% של תאים סולאריים מבוססי Amorphous silicon, ל-42.8% בתאי שמש שנבדקו בתנאי מעבדה שעובדים בטכניקה של צמתים מרובים.

התרשים מצד שמאל מציגה את היעילות המרת האנרגיה של מודולים מסחריים בעלי שטח גדול ואת היעילויות הטובות ביותר של מעבדות עבור חומרים וטכנולוגיות שונות.

תיאור על פני זמן של יעילות המרת אנרגיה לטכנולוגיות שונות (מקור - National Renewable Energy Laboratory ארצות הברית).

יעילות המרת אנרגיה של תאים סולאריים עבור תאים שנמכרים בצורה מסחרית, multicrystalline Si הינה בסביבות 14%-16%. התאים היעילים ביותר הם לא תמיד הכלכליים ביותר - לדוגמה אם נשווה בין תא רב-צמתי בעל יעילות אנרגטית של 30% המבוסס על חומרים אקזוטיים כמו גאליום ארסנייד או אינדיון סלנייד ומיוצר בכמויות קטנות, לבין תא אמורפוס סיליקון בעל יעילות של 8% המיוצר בייצור המוני. התא היעיל יותר מספק הספק חשמלי בכמות גדולה פי 4 מאשר התא הלא יעיל, אבל הוא עלול לעלות פי 100 יחסית לתא הלא יעיל.

כדי להשתמש באופן מעשי באנרגיה הסולארית, החשמל מוזן לתוך רשת חשמלית באמצעות ממיר. במערכות שלא מחוברות לרשת (אוף-גריד), משתמשים בסוללות או באמצעי אגירה אחר כדי לאחסן את האנרגיה בה לא משתמשים באופן מיידי. גם במערכות מחוברות לרשת משתמשים בשיטות אגירת אנרגיה שונות כמו אנרגיה שאובה.

עלות כלכלית

שיטה נפוצה כדי לתאר העלויות הכלכליות של מערכות המייצרות חשמל היא לחשב את המחיר לקילו-וואט-שעה (קוט"ש - kWh) יעילות התא הסולארי יחד עם כמות קרינת השמש המצויה היא בעלת השפעה חזקה על העלויות, אבל באופן כללי יותר חשובה היעילות הכוללת של המערכת. שימוש בטכנולוגיה של תאים סולאריים ומערכות שמצויות באופן מסחרי בשוק (נכון ל-2006) מובילה ליעילות המרת אנרגיה שבין 5% ל-19%.

גורמים שמשפיעים על עלות ייצור החשמל של מערכות PV כוללים את כמות השמש באיזור (עוצמת הקרינה למטר לאורך השנה, וכמות ימים מעוננים בשנה), הטכנולוגיה בה משתמשים וגילה (היעילות של מערכות PV יורדת עם הזמן), רמת התחזוקה של המערכת (האם מנקים אותה מאבק), וכן גודל המערכת - מערכות גדולות יותר נחשבות לזולות יותר לקוט"ש בגלל השקעה נמוכה יותר בציוד קבוע ובתחזוקה.

חישובי עלויות לקוט"ש ישתנו על פי הערכות של מספר השנים בהן המערכת תמשיך להיות פעילה. רוב הפנלים מ-c-Si הם בעלי אחריות ל-25 שנה, וצפויים לפעול באופן מועיל כ-35+ שנים.

מדד Solarbuzz מביא נתונים של מחירי מערכות PV שמותקנות בארצות הברית. המדד מבדיל בין מערכות ביתיות (בעלות הספק מקסימלי של 2 קילו-ואט ואשר כוללות עלויות סוללה), מערכות מסחריות (בעלות הספק של 50 קילו-ואט, עם חיבור לרשת וללא סוללה) ומערכות תעשייתיות (בעלות הספק של 500 קילו-ואט, עם חיבור לרשת החשמל וללא סוללה). המדד מבדיל גם בין מקומות שמשיים למקומות מעוננים בעלי קרינה חלשה יותר. וכולל עלויות התקנה וחיבור לרשת. נכון לנובמבר 2011, עלויות התקנת מערכות אלה הן [1]:

• מערכת ביתית (2 קילו-ואט הספק) - עלות התקנה של 13,995$. עלות מוערכת של 29 סנט לקוט"ש במקום שמשי, ו-64 סנט לקוט"ש במקום מעונן.
• מערכת מסחרית (50 קילו-ואט הספק) - עלות התקנה של 250,845$. עלות מוערכת של 19 סנט לקוט"ש במקום שמשי, ו-43 סנט לקוט"ש במקום מעונן.
• מערכות תעשייתיות (500 קילו-ואט הספק) - עלות התקנה של 1,882,101$. עלות מוערכת של 15 סנט לקוט"ש במקום שמשי, ו-33 סנט לקוט"ש במקום מעונן.

מחישוב זה ניתן להסיק שלתאי PV יש יתרון לגודל משמעותי - שכן מערכות גדולות של 500 קילו-ואט הגדולות ממערכות ביתיות של 2 קילו-ואט פי 25, מצליחות להגיע לעלות נמוכה בחצי בהשוואה למערכות הקטנות (15 סנט לקוט"ש לעומת 29 סנט לקוט"ש במקומות שמשיים). עם זאת, במדינה כולה היתרון פחות משמעותי שכן על המדינה לדאוג לרוב גם לאמצעי אגירת אנרגיה ודבר זה יתגבר ככל שתהיה הסתמכות גדולה יותר על אנרגיית שמש.

דורות פיתוח

ישנם ארבע דורות של התפתחות בפיתוחי תאי סולאריים.

דור ראשון

תאים פוטו-וולטאים מהדור הראשון מורכבים מדיודת צומת P-N בעלת שטח רחב עם שכבה אחת, שמסוגלת לייצר אנרגיה חשמלית ממקורות אור בעלי אורך גל של השמש. התאים האלה בדרך כלל מיוצרים תוך שימוש בשכבות סיליקון. תאים פוטו-וולטאים מהדור הראשון (ידועים גם כתאים סולאריים מבוססי שכבות סיליקון) הם הטכנולוגיה הדומיננטית (נכון לשנת 2007) בייצור המסחרי של תאים סולאריים, ומהווים 86% מהשוק של תאים סולאריים.

דור שני

הדור השני של חומרים פוטו-וולטאים מבוססים על השימוש בציפוי דק של משקעים של מוליכים למחצה. מתקנים אלו תוכננו בתחילה להיות תאים פוטו-וולטאים בעלי יעילות גבוהה ובעלי צומת מרובה. לאחר מכן, החלו לשים לב ליתרון בשימוש בציפוי דק של חומר, דבר שהקטין את כמות החומר שיש להשקיע בעיצוב תאים. דבר זה תרם לתחזית של הקטנת עלויות עבור תאים סולאריים בעלי ציפוי דק.

נכון לשנת 2007, יש מספר מחקרים על טכנולוגיות וחומרים מוליכים למחצה וכן ייצור המוני שלהם. הדוגמאות כוללות Amorphous silicon, Polycrystalline silicon ,micro-crystalline silicon, קדמיום טלורייד, copper indium selenide/sulfide. בדרך כלל היעילות של תאים סולאריים בעלי ציפוי דק הינן נמוכה יותר מאשר תאים סולארים מהדור הראשון, אבל גם עלויות הייצור נמוכות יותר, כך שניתן להגיע לעלויות ייצור חשמל נמוכות יותר.

עוד יתרונות של הקטנת המסה בתאים מדור זה היא שניתן להסתפק בתמיכה קלת משקל יותר כאשר שמים את הפנלים על גגות, וכן שניתן להתאים את הפנלים לחומרים גמישים, אפילו לטקסטיל.

דור שלישי

תאים פוטו וולטאים מהדור השלישי הם שונים מאוד ממתקני מוליכים-למחצה קודמים היות והם לא נסמכים על צומת-P-N המסורתית כדי להפריד מטעני חשמל שנוצרו על ידי אור. המתקנים החדשים כוללים תאים פוטואלקטרוכימים, תאים סולארים פולימרים, ותאים סולאריים א-גבישיים.

דור רביעי

דור רביעי של תאים סולאריים משלב טכנולוגיה פוטו-וולטאית עם שילוב של פולימרים עם ננו-חלקיקים כדי ליצור שכבה אחת בעלת ספקטרום רחב. ניתן לערום את השכבות הרב-ספקטורמיות.

חברות העובדות על פיתוחים של תאים מדור רביעי הן Nanosys, Nanosolar, Konarka Technologies, Xsunx. גם המעבדה הלאומית לאנרגיה מתחדשת [2] בארצות הברית חוקרת תחום זה.

יישומים

תאים סולאריים לרוב מחוברים באופן חשמלי וארוזים כמודול. מודולים פוטו-וולטאים הם בדרך כלל בעלי שכבת זכוכית קדמית כדי לאפשר לאור להיכנס פנימה ולהגן על התאים הסולאריים מגורמי טבע כמו גשם, ברד וכו'. תאים סולאריים מחוברים בדרך כלל בטור כדי להגדיל את המתח החשמלי. קישור התאים במקביל יוביל להגדלת הזרם החשמלי. לאחר מכן מחברים מודולים למודולים אחרים בטור או במקביל כדי לקבל מערך פוטו-וולטאי עם שיא רצוי של מתח חשמלי ישר ושל זרם.

תפוקת הכוח של המערך הסולארי נמדדת בוואטים או בקילו-ואטים. כדי לחשב את האנרגיה האופיינית הנדרשת מהיישום, משתמשים בדרך כלל בוואט-שעה, קילו-ואט-שעה או קילו-ואט-שעה ביום.

מערכים פוטו-וולטאים משמשים זמן רב לאספקת חשמל לתחנות חלל וללוויינים, למבנים או למכשירי חשמל מבודדים (בישראל ניתן לראות מערכים פוטו-וולטאים מותקנים על עמודי תאורה ליד תחנות הסעה מבודדות) ועוד.

בשנים האחרונות חברות נכנסו לשוק זה ומציעות לרכישה מערכים פוטו-וולטאים לשימוש פרטי לצורך חסכון בחשבון החשמל המשפחתי. יתרון נוסף שאפשר ליישם הוא להתקין שעון חשמל דו-כיווני שמאפשר לייצר חשמל ו"למכור" אותו למעשה לחברת החשמל ובכך להקטין את חשבון החשמל.

בישראל

ערך מורחב – אנרגיה מתחדשת בישראל

קישורים חיצוניים

• שמש שימושית - על אנרגיה סולארית, באתר של מט"ח
• פורטל ישראלי העוסק באנרגיה סולארית ליצור חשמל סולארי
• תא סולארי בוויקיפדיה האנגלית
• IBM: פיתחנו שיטה שמייצרת חשמל מזבל טכנולוגי הכוונה למחזור שבבי בדיקה מתעשיית ייצור השבבים כחומרי גלם לתעשיית התאים הפוטו וולטאים.
• הוראות לבניית פאנל סולארי באופן עצמאי (תוך שימוש בתאים סולאריים קנויים).
• שביל אופניים בין עירוני בדרום קוריאה מתחת לחופה של לוחות סולאריים בין הערים Daejeon ו-Sejong
• "יציבים ויעילים יותר": התאים הסולאריים שפותחו בעברית, וואינט, 16.6.2019