כיצד פועל תא סולארי?

השמש שולחת לעבר כדור הארץ כמויות אדירות של אנרגיה כל הזמן, הרבה יותר אנרגיה ממה שאנו צורכים אפילו בעידן הטכנולוגי המתקדם של ימינו.

השמש היא מקור חיוני לחיים על כדור הארץ ובני האדם ניצלו אותה כמקור אנרגיה הרבה לפני שהתגלה החשמל והחלו לייצר חשמל סולארי.

אך בכל זאת זה מעט מדהים כי המין האנושי עדיין מייצר רק כמויות מזעריות של חשמל מאותה אנרגיית שמש אדירה ושופעת. אנו לא יכולים פיזיקלית וטכנולוגית לנצל את כל קרינת השמש למטרת חשמל ואנרגיה, אך תא סולארי הוא דוגמא יחסית פשוטה למה שניתן לעשות.

תאים סולאריים בטכנולוגיה פוטו-וולטאית קיימים כבר עשרות שנים, כאשר הבסיס של הטכנולוגיה ברור ופשוט יחסית אך היא ממשיכה להתפתח ולהשתפר.

בשנים האחרונות יש התעוררות מסוימת בתחום הסולארי, עם מיזמים גדולים של תחנות כוח סולאריות הפועלות בשיטה התרמו-סולארית והמוני מערכות פוטו-וולטאיות שמוקמות בכל העולם.

אך כיצד פועל תא סולארי פוטו-וולטאי? איך הלוחות השחורים שאנו רואים על גגות בכל רחבי ישראל ממירים את קרינת השמש לחשמל? נושא מרתק שהאנושות חייבת להמשיך לנצל ולפתח.

 אור – פוטונים – חשמל

תא סולארי שנקרא בעגה מקצועית תא או וולטאי הוא יחידת ייצור אנרגיה קטנה,  כאשר מודול סולארי גדול (פאנל סולארי) מורכב למעשה מחיבור של הרבה תאים סולאריים יחד.

העיקרון הפיזיקלי שעל פי תא סולארי פועל ומייצר חשמל ידוע כבר שנים רבות והוא כאמור פשוט יחסית, התא קולט את קרינת השמש, הוא "משתמש" בפוטונים שנמצאים באור השמש ומבצע המרה שלהם לאנרגיה חשמלית.

זוהי שיטה יעילה ופשוטה לספק אנרגיה למגוון מוצרים ומערכות – החל במחשבון כיס או שעון ועד מערכות חשמל של יישובים שלמים.

על מנת להמיר אור שמש לחשמל משתמשים במוליך למחצה, במקרה זה סיליקון שהוא יסוד הנמצא בכמויות גדולות מאוד בטבע ושניתן כיום גם לייצר בתנאי מעבדה.

תא סולארי מכיל שכבות (שתיים בשיטות נפוצות וותיקות יחסית) של סיליקון בצורת גביש, בתוספת של יסודות נוספים בכמויות מזעריות.

הסיליקון בצירוף היסודות הנוספים הללו (בורון וארסן למשל) יוצרים יחד אי יציבות של האלקטרונים ברמה האטומית – צד אחד רוצה להעביר אלקטרונים וצד שני רוצה לקבל אותם עקב עיקרון האוקטט – בין כל שכבה כזו בתא הסולארי יש חיווט היוצר למעשה מעגל חשמלי.

ה"קסם" של ייצור חשמל סולארי פוטו-וולטאי נוצר כאשר אור פוגע בתאים הסולאריים בשכבה בה קיים עודף אלקטרונים, כך שתוספת האנרגיה הזו בדמות פוטונים של אור גורמת לכך שמשתחררים אלקטרונים חופשיים אשר חייבים להתקדם ולהגיע למקום כלשהו, הם זורמים דרך החיווט של התא הסולארי אל שכבת הסיליקון השנייה ונוצר לו זרם חשמלי שניתן להזרים בהמשך המערכת הסולארית ואז בהתאם לצורך ומהות המערכת או למצברים, לשימוש מיידי או לרשת הולכת החשמל הארצית כמו במקרים רבים בישראל. החשמל מתא סולארי הוא בזרם DC ולרוב יש להמירו בממיר מתח וזרם לזרם חילופין – AC.

חיבור התאים יחד ליצירת פאנל סולארי

תא סולארי בודד מייצר כמויות קטנות מאוד של חשמל, לכן יש לחבר המון תאים יחד על מנת לייצר מערכת פוטו-וולטאית בעלת כושר ייצור משמעותי יותר. התאים בתוך כל פאנל (מודול) מחוברים בצורה טורית או מקבילית, בהתאם לדרישות ולמהות המערכת.

עדיין לא שיא היעילות

תא סולארי פועל כפי שהוסבר ויכול למעשה לייצר חשמל סולארי אופן רציף, כל עוד יש עליו קרינת אור שמש, במשך שנים רבות מאוד.

יש לנקות את המערכת ולתחזק אותה אך באופן כללי התא הסולארי קולט אור שמש וממיר את האנרגיה לחשמל. אך למרות החשיבות האדירה של הנושא הטכנולוגיה עדיין לא יעילה מאוד – נצילות שנעה בטווח של 15% במקרים נפוצים ועד כ-50% במקרים מתקדמים, יקרים ונדירים.

כך שיש עוד פיתוחים רבים שיש לבצע ולקדם בתחום הפוטו-וולטאי על מנת שיוכל לייצר היקפי חשמל גדולים יותר ביעילות כלכלית רבה יותר – למרות הוזלה משמעותית של תהליך הייצור בשנים האחרונות וקידום טכנולוגי שבהחלט קיים.