תא פוטו-וולטאי

תא פוטו-וולטאי (PV) או תא סולארי הוא התקן סולארי להפקה ישירה של אנרגיה חשמלית על ידי קליטת קרינה אלקטרומגנטית (אור) מן השמש (או מקור אור אחר). מערך של תאים כאלה נקרא פאנל סולארי.

פאנל סולארי בחצר בית במושב רחוב שבעמק המעיינות

היסטוריה

פעולתו של התא המודרני מבוססת על "האפקט הפוטו-וולטאי" (אנ'), שהתגלה בשנת 1839 על ידי המדען הצרפתי אלכסנדר אדמונד בקרל (אנ'). בשנת 1883 נבנה התא הפוטו-וולטאי הראשון מסלניום מצופה זהב. הסבר תאורטי ניתן בשנת 1905 בידי אלברט איינשטיין לתופעה דומה, האפקט הפוטואלקטרי. בשנת 1921 הוא קיבל פרס נובל עבור עבודה זו. תא פוטואלקטרי יכול גם כן לייצר חשמל אך בנצילות נמוכה מאוד. בשנת 1954 בנתה חברת בל את הלוח הפוטו-וולטאי הראשון העשוי סיליקון. ב-1958 שיגרה ברית המועצות את הלוויין הראשון שעשה שימוש בתאים פוטו-וולטאיים, ובעקבותיה הלכה ארצות הברית.

נכון ל־2008 תחנת הכוח הפוטו-וולטאית הגדולה בעולם הייתה בסקסוניה, גרמניה, בהספק של כ־40 מגה-וואט, אך עד 2015 נבנו תחנות כוח בהיקפים של עד 570 מגה-וואט. בהודו נמצא בשלבי בנייה פארק סולארי שיכלול מספר תחנות כוח בהספק כולל של 2245 מגוו"ט.

מבנה התא הפוטו-וולטאי

תא סולארי מודרני הוא דְיוֹדַה שמייצרת זרם חשמלי כאשר פוגע בה אור. במקרה הפשוט ביותר, דיודה מורכבת משתי שכבות של מוליכים למחצה, לדוגמה - שתי שכבות של סיליקון מאולח. שכבה אחת מכילה אילוח מסוג n (חומרים מימין לסיליקון בטבלה המחזורית, שנוטה לתת את האלקטרונים העודפים). לעומתה, השכבה השנייה מכילה אילוח מסוג p, כלומר חומרים משמאל לסיליקון בטבלה המחזורית, שהם בעלי פחות אלקטרונים מאשר הסיליקון עצמו ונוטים לקחת אלקטרונים מאטומים אחרים, תוך יצירת חור אלקטרוני באטום הסיליקון ממנו באו. חיבור מוליך למחצה מסוג n ומסוג p יוצר צומת PN, שבו שדה חשמלי בין האזורים שעזבו האלקטרונים ובאזורים שהתמלאו בהם החורים. שדה זה מהווה את המפתח לפעולת התא הסולארי.

כאשר פוטון בעל אנרגיה מספקת פוגע באזור השדה, הוא מנתק אלקטרון מאטום הסיליקון, ויוצר זוג של אלקטרון חופשי וחור. השדה החשמלי מפריד בין האלקטרון לחור ומביא את האלקטרון לצד N ואת החור לצד P. כך נוצר זרם של אלקטרון אחד. פוטונים רבים יצרו זרם רב של אלקטרונים, כלומר זרם חשמלי.

שלוש שיטות נפוצות להכנת התאים הן:

חד-גביש בשיטת צ'וֹחְרָלְסְקִי (Czochralski) - הסיליקון גדל בתור גביש יחיד גדול. לאחר מכן, פורסים את הגביש לפרוסות דקיקות. שיטה זו היא היקרה ביותר אך התא הפוטו-וולטאי שנוצר בשיטה זו הוא בעל הנצילות הגדולה ביותר.
שיטת הפולי-סיליקון - בשיטה זו מגדלים שכבה של הרבה תת-גבישים כלומר חומר רב-גביש שבו כל תת-גביש מתפקד כתא. השיטה זולה משיטת צוחרלסקי, והיא נפוצה יחסית אך נצילות התאים נמוכה יותר.
שיטת המריחה - בשיטה זאת מורחים את הסיליקון על תבנית זכוכית. זוהי הזולה ביותר מבין השיטות, אך גם נצילות התאים הנוצרים היא הנמוכה ביותר.

אופן הפעולה

הפעלה של תאים סולריים

לכל תא סולרי יש פער אסור - האנרגיה המינימלית שהתא יכול לקלוט. כאשר פוטון באנרגיה גבוהה מספיק נקלט על ידי התא, אלקטרון אחד נפרד מגרעינו ועובר מפס הערכיות לפס ההולכה. הדבר יוצר יונים חיוביים (קטיונים) בפס ההולכה ויונים שליליים (אניונים) בפס הערכיות. המשיכה בין היונים גורמת למסירת אלקטרונים מהשכבה התחתונה אל העליונה, וכך ליצירת זרם.

יעילות

תאים סולאריים הפועלים על עיקרון פוטון מעורר אלקטרון מסוגלים לנצל עד 31% מאנרגיית השמש, אף על פי שבפועל הנצילות לרוב מגיעה רק עד 25%. הטכנולוגיה המבטיחה ביותר כיום להגדלת ניצולת השמש היא על ידי החדרת אילוחים לננו-חלקיקים ויצירת מצב קוונטי המשחרר שני אלקטרונים בכל פגיעת פוטון. היעילות התאורטית של מערכת כזו היא כ-50%.^[1]

פגיעות נוספות ביעילות המערכת נובעות מעננות, אבק על הקולטנים, זווית שמש משתנה, נזק לקולטנים כתוצאה מחום ומרחק הולכת הזרם עד הצרכן. חברות רבות מספקות פתרונות לבעיות הללו, כגון ניקוי אוטומטי של אבק או בניית מערכת המסובבת את הקולטנים לכיוון השמש, אך פתרונות אלו מייקרים את המערכת.

בחשיפה לחום מאבדים קולטני השמש עד מחצית מזמן החיים שלהם עם כל עליה של 8 מעלות צלזיוס, לכן דווקא בתנאים אופטימליים של מדבר בו אין עננות וקיימת קרינה ישירה עלולים הקולטנים לאבד מיעילותם במהרה.^[2]

יישומים

מערך של תאים פוטו-וולטאים

שימוש בתאים סולריים להפעלת מחשבון ביתי

תא פוטו-וולטאי משמש בשימושים ביתיים ומסחריים. בשימוש ביתי ניתן למצוא את התא הפוטו-וולטאי במבחר מכשירים חשמליים אשר משתמשים בו כמקור כח במקום סוללות, כגון מחשבי כיס, שעונים ואף מטענים לסוללות.

בשימוש מסחרי ניתן למצוא את התאים הפוטו-וולטאיים במקומות בהן לא ניתן להתחבר לרשת החשמל, כגון תאי טלפון מבודדים. חוות של תאים פוטו-וולטאיים משמשים כמקורות ייצור חשמל ירוקים, בדומה לחוות רוח. בתעשיית החלל התאים הפוטו-וולטאיים משמשים לאספקת חשמל לתחנות חלל וללוויינים.

תאים פוטו-וולטאיים בישראל

בישראל ניתן לראות תאים פוטו-וולטאיים המותקנים על עמודי תאורה ליד תחנות הסעה מבודדות, וכן ביישובים קטנים בנגב ובערבה. כמו כן גם מוסדות חינוך, מפעלים, חוות ורפתות המשתמשים בפאנלים סולאריים.

בשנים האחרונות^{[דרושה הבהרה]} נכנסו חברות ישראליות לשוק זה והן מציעות לרכישה תאים פוטו-וולטאיים לשימוש פרטי לצורך חיסכון בחשבון החשמל המשפחתי. אפשר להתקין מונה חשמל דו-כיווני שמאפשר לימנות את אנרגיה המיוצר ו"למכור" אותו למעשה לחברת החשמל ובכך להקטין את חשבון החשמל.

במרכז הלאומי לאנרגיית השמש באוניברסיטת בן-גוריון נערכים מחקרים בתחום הפוטו-וולטאי, העוסקים בין השאר בתא פוטו-וולטאי מבוסס פחמן, ובייצור חשמל פוטו-וולטאי באמצעות שימוש במראה מרכזת גדולה.

ביולי 2008 עברה החלטת ממשלה בדבר עידוד הקמת תחנות פוטו-וולטאיות בישראל, וכן תקנות המקלות על הליך אישור התקנת לוחות סולאריים בטכנולוגיה פוטו-וולטאית על גגות בתים. בשנת 2009 פורסם תעריף לתחנות בינוניות מבוססות תא-פוטו-וולטאי ובתחילת 2011 פורסם תעריף לתחנות כוח גדולות בטכנולוגיה זו. פרסום התעריף האיץ את תהליך הקמת תחנות כוח פרטיות מבוססות טכנולוגיה זו, ותחנת כוח בינונית בהספק של כ-5 מגוואט כבר הוקמה בקיבוץ קטורה שבערבה ומחוברת לחשמל החל משנת 2011.^[3]

מחירם של הפנלים הפוטו-וולטאיים גבוה יחסית לתועלתם בהפקת חשמל. נכון ל-2015, עלות מערכת המייצרת הספק שיא של קילוואט אחד הוא כ-10,000 שקלים. בשל העובדה שהמערכת אינה מייצרת חשמל בלילה ובימים מעוננים וגשומים, ניתן לייצר במרכז הארץ באמצעות מערכת כזו כ-1,600 קוט"ש בשנה. באזורים מדבריים נצילות המערכת יכולה להיות גבוהה יותר.