תא פוטו-וולטאי

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.

היסטוריה

פעולתו של התא המודרני מבוססת על "האפקט הפוטו-וולטאי", שהתגלה בשנת 1839 על ידי המדען הצרפתי אלכסנדר אדמונד בקרל. 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.

תחנת הכוח הפוטו-וולטאית הגדולה בעולם הוקמה בסוף שנת 2008 בסקסוניה, גרמניה.

מבנה התא הפוטו-וולטאי

תא סולרי 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:

1. חד גביש בשיטת צוֹחְרָלְסְקִי- 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.
2. 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.
3. שיטת המריחה- בשיטה זאת מורחים את הסיליקון על תבנית זכוכית. זוהי הזולה מבין השיטות ביותר אך גם נצילות התאים הנוצרים היא הנמוכה ביותר.

אופן הפעולה

הפעלה של תאים סולריים

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.

יישומים

מערך של תאים פוטו-וולטאים

שימוש בתאים סולריים להפעלת מחשבון ביתי

תא פוטו-וולטאי משמש בשימושים בייתיים 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-וולטאים במקומות בהן לא ניתן להתחבר לרשת החשמל, כגון תאי טלפון מבודדים. חוות של תאים פוטו-וולטאים 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.

החסרון העיקרי של השיטה הוא העלות הגבוהה יחסית של הפקת חשמל, שכן מחירם של הפנלים הפוטו-וולטאיים עדיין גבוה יחסית. נכון ל-2006, עלות מערכת המייצרת הספק שיא של קילוואט אחד הוא כ-35,000 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.

בשנים האחרונות נכנסו חברות ישראליות לשוק זה והן מציעות לרכישה תאים פוטו-וולטאיים לשימוש פרטי לצורך חיסכון בחשבון החשמל המשפחתי. אפשר להתקין שעון חשמל דו-כיווני שמאפשר לייצר חשמל 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. הציפיות הן שמחקרים אלו יבשילו בעשור הבא לכדי מערכות זולות והמוניות לייצור חשמל מאנרגיית שמש.

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 כח גדולות בטכנולוגיה זו. פרסום התעריף האיץ את תהליך הקמת תחנות כוח פרטיות מבוססות טכנולוגיה זו ותחנת כח ביינונית בהספק של כ-5 מגוו"ט כבר נמצאת בשלבים מתקדמים של תכנון ותחילת ביצוע. היא צפויה לקום באזור קטורה שבערבה ותתחיל לפעול בשנת 2012.‏

קישורים חיצוניים

• רונית מורגנשטרן ואורי בינדר, נחנכה החווה הפוטו-וולטאית הראשונה בישראל, באתר nrg מעריב, 10 בספטמבר 2008
• דוידסון אונליין - מאגר מדע: תא סולרי - להפיק חשמל מאור סרטון עם הסברים.
• יעל דראל, בעוד שבוע ייחנך השדה הסולארי בקיבוץ קטורה, באתר ynet‏, 29 במאי 2011