תא פוטו-וולטאי

תא פוטו-וולטאי (תא סולארי) הוא התקן שמייצר חשמל ישירות מקליטת אור השמש. מערך של תאים מחובר יחד נקרא פאנל סולארי.

העיקרון התגלה ב־1839 על ידי אלכסנדר אדמונד בקרל, כשהבחין שאור משפיע על הולכת חשמל. בשנת 1883 נבנה תא מסלניום מצופה זהב. ב־1905 הסביר אלברט איינשטיין את התופעה התיאורטית הדומה, וקיבל עליה פרס נובל ב־1921. ב־1954 פיתחה חברת בל את התא הראשון מסיליקון. ב־1958 שימשו תאים לייצור חשמל בלוויינים, ומאז השימוש התרחב גם לתחנות קרקע ולחוות סולאריות בגודל תעשייתי.

תא מודרני הוא סוג של דיודה (רכיב המווסת זרם) שבנוי משתי שכבות של חומר הנקרא מוליך למחצה (חומר שמוליך חשמל חלקית). אחת השכבות מכילה אילוח מסוג n, חומרים שנותנים אלקטרונים נוספים. השכבה השנייה היא אילוח מסוג p, חומרים שיש בהם פחות אלקטרונים ויוצרים "חורים" אלקטרוניים. חיבור השכבות יוצר צומת PN ושדה חשמלי מקומי. כשאור פוגע בתא, פוטון (יחידת אור) מעביר אנרגיה, מפעיל אלקטרון והשדה החשמלי מפריד אותו מהחור. ההפרדה הזו יוצרת זרם חשמלי.

יש שלוש שיטות נפוצות להכנת תאים: גידול חד־גבישי (שיטה יקרה, יעילה גבוהה), פולי־סיליקון (זולה יותר, יעילות נמוכה מעט), ושכבת המריחה על זכוכית (הזולה ביותר אך גם הפחות יעילה).

לכל חומר יש פער אסור (האנרגיה המינימלית שנדרשת להעביר אלקטרון). פוטון באנרגיה מספקת מעביר אלקטרון מפס הערכיות לפס ההולכה. כך נוצרים יונים וזוג אלקטרון־חור, והשדה בצומת מפריד ביניהם ויוצר זרם חשמלי.

תאים פשוטים מסוגים סטנדרטיים מנצלים עד כ־31% מאנרגיית השמש באופן תאורטי. בפועל נצילות טיפוסית מגיעה עד כ־25%. שיפורים ניסיוניים כוללים אילוח לננו־חלקיקים כדי לגרום לשחרור של שני אלקטרונים לכל פוטון; לרעיון זה נטענת יעילות תאורטית של כ־50%.

גורמים שמורידים יעילות כוללים עננות, אבק על הקולטנים, זווית השמש, חימום ונזק תרמי, וכן אובדן אנרגיה בהולכה אל הצרכן. פתרונות כמו ניקוי אוטומטי ומערכות סיבוב לעקיבה אחרי השמש משפרים פיצוי, אך מייקרים את המערכת. חשיפה לחום מקטינה באופן משמעותי את חיי הקולטנים; לפי הערכה הם עלולים לאבד עד מחצית זמן חייהם עם עלייה של כ־8 מעלות צלזיוס.

תאים פוטו-וולטאיים משמשים למכשירים קטנים בבית כגון מחשבי כיס, שעונים ומטענים. בשימוש מסחרי נעשה בהם שימוש במקומות ללא חיבור לרשת, בתאי טלפון מבודדים ובחוות סולאריות להפקת חשמל. בחלל הם מספקים חשמל ללוויינים ולתחנות חלל.

בישראל מתקינים תאים על עמודי תאורה בתחנות מבודדות, ביישובים בנגב ובערבה, במוסדות חינוך, מפעלים וחוות. חברות ישראליות מוכרות מערכות פרטיות לחיסכון בחשמל. מונה דו־כיווני מאפשר ליזמים להעביר מזרם לרשת ולפחות להפחית את חשבון החשמל.

המרכז הלאומי לאנרגיית השמש בבי"ס בן־גוריון עוסק במחקר, בין השאר בתאים מבוססי פחמן ובשימוש במראה מרכזת. ממשלה אישרה ב־2008 צעדי עידוד והקלה על אישורים, וב־2009־2011 פורסמו תעריפים לתחנות שונות, מה שהאיץ הקמת תחנות פרטיות. דוגמה לכך היא תחנה בינונית של כ־5 מגה־ואט בקיבוץ קטורה, המחוברת מהשנים הראשונות של העשור.

נכון ל־2015 עלות מערכת המייצרת קילו־וואט שיא עמדה על כ־10,000 שקלים. במרכז הארץ מערכת כזו מייצרת כ־1,600 קוט"ש בשנה. באזורים מדבריים התפוקה עלולה להיות גבוהה יותר.

תא פוטו-וולטאי, או תא סולארי, מייצר חשמל מאור השמש. פאנל הוא הרבה תאים יחד.

הרעיון התגלה ב־1839 על ידי אלכסנדר אדמונד בקרל. ב־1954 ייצרו תא מסיליקון ראשון. מאז משתמשים בתאים גם בלוויינים.

התא בנוי משתי שכבות. אחת שכבה היא n (יש בה עוד אלקטרונים). השנייה היא p (יש בה חוסרים של אלקטרונים, שנקראים "חורים"). החיבור בינהן יוצר שדה חשמלי. כשחלקיק אור (פוטון) פוגע, הוא נותן אנרגיה לאלקטרון. האלקטרון זז והופך לזרם חשמלי.

פער אסור (האנרגיה המינימלית) קובע מתי האלקטרון יכול לקפוץ. פוטון חזק מספיק מעורר אלקטרון והוא עובר למצב שגורם לזרם.

תאים רגילים ממירים חלק מהאור לחשמל. בדרך כלל הם מנצלים עד כ־25% מהאנרגיה. אבק, זווית השמש וחום מקטינים את התפוקה. יש פתרונות כמו ניקוי ומערכת שמסתובבת בעקבות השמש, אך הם עולים כסף.

תאים נמצאים במחשבונים, שעונים ומטענים לניידים. משתמשים בהם גם בכפרים מרוחקים, בחוות סולאריות ובחלל.

בישראל יש תאים על עמודי תאורה, ביישובים בנגב ובערבה, בבתי ספר ובחוות. חברות מקומיות מוכרות מערכות לבית. מונה דו־כיווני מאפשר להעביר חשמל חזרה לרשת ולעזור להוריד חשבון.

יש גם מחקרים בבאר־שבע על תאים מבוססי פחמן ומראות שמרכזות אור. הממשלה עודדה הקמת תחנות ב־2008. בקיבוץ קטורה חוברה תחנה של כמה מגה־ואט לשדה החשמל בתחילת העשור.

בשנת 2015 עלות מערכת קטנה הגיעה בערך ל־10,000 שקלים לקילו־וואט. במרכז הארץ מערכת כזו מייצרת כ־1,600 קוט"ש בשנה. באזורים מדבריים אפשר לקבל יותר חשמל.