גורם לא מוכר מגביל יעילות המרת פוטונים לזרם חשמלי

חוקרים מהטכניון ומאוניברסיטת בן-גוריון מציגים (יום ג', 20.4.21) ממצאים חדשים הנוגעים להמרת אנרגיה סולארית לחשמל ולדלק מימן. במסגרת המחקר שהתפרסם ב-Nature Materials פותחה שיטה חדשנית למדידת יעילות ההמרה של פוטונים למטענים חשמליים ניידים (אלקטרונים וחורים) במוליכים למחצה. בשיטה זו הם גילו גורם לא מוכר המגביל את יעילות ההמרה של פוטונים לזרם חשמלי בתחמוצת ברזל (המטייט).

הגורם שהתגלה צפוי להשפיע על יעילותם של חומרים נוספים, בפרט בחומרים בעלי אלקטרונים מקושרים (electron correlated materials), שיש בהם אינטראקציה חזקה בין האלקטרונים לאטומים בגביש. השיטה שפותחה צפויה להניב ידע חדש על האינטראקציה בין אור לחומר בחומרים אלה ולסייע בפיתוח חומרים חדשים לתאים סולאריים בעלי מאפיינים ייחודיים.

מזה למעלה מעשור, פרופ' אבנר רוטשילד וקבוצת המחקר שלו בטכניון חוקרים מינרל הנקרא המטייט (hematite) והוא סוג של תחמוצת ברזל בעלת הרכב כימי דומה לחלודה, בעל קשת המאפיינים הדרושים לתא פוטו-אלקטרוכימי לפיצול מים למימן וחמצן. מחקר זה הוביל לפריצות דרך מדעיות וטכנולוגיות שפורסמו בכתבי עת מדעיים מובילים מקבוצת Nature ואחרים. למרות השיפורים שהושגו בתכונות החומר ומבנה התא הפוטו-אלקטרוכימי, יעילות ההמרה של פוטונים לזרם חשמלי בהתקנים מבוססי המטייט מגיעה לפחות ממחצית הגבול התיאורטי לחומר זה. לשם השוואה, תאים פוטו-וולטאיים מסיליקון מגיעים קרוב ל-100% מהגבול התיאורטי של סיליקון.

לאחר שנים של מחקר שבו הפכו החוקרים כל אבן בדרך לשיפור תכונות החומר ומבנה התא, הם הגיעו למסקנה שרב הנסתר על הגלוי וחייב להיות גורם נעלם ייחודי להמטייט שמונע הגעה לגבול התיאורטי המוכר לחומר זה. במחקרם האחרון, שפורסם זה עתה בכתב העת המדעי Nature Materials, הם חושפים ומגלים את הגורם הנעלם הזה, ומציעים שיטה חדשה לאיפיונו בהמטייט ובחומרים אחרים. בניגוד לסיליקון ומוליכים למחצה אחרים המשמשים בתאים סולאריים והתקנים אופטו-אלקטרוניים אחרים, בהם הפוטונים הנבלעים בחומר מייצרים מטענים חשמליים ניידים (אלקטרונים וחורים) היכולים לנוע בחופשיות וליצור זרם חשמלי, חלק ניכר מהפוטונים המגיעים להמטייט נבלעים באופן שונה באמצעות מעברים אלקטרוניים מקומיים בהם האלקטרון עובר ממצב אנרגטי (הנקרא אורביטל) אחד לאחר באותו האטום עצמו או בקשר הכימי בין שני אטומים שכנים. מאחר שאלקטרון שכזה נשאר ממוקם באתר ספציפי בגביש, אין לו יכולת תנועה (ניידות) ולכן אין הוא יכול לתרום ליצירת זרם חשמלי. לכן, הפוטונים הנבלעים באופן זה "מתבזבזים" ואינם תורמים ליצירת זרם חשמלי (בתא פוטו-וולטאי) או מימן (בתא פוטו-אלקטרוכימי).

בשל תכונות כימיות ופיזיקליות ייחודיות המתבטאות, בין השאר, באינטראקציה חזקה בין האלקטרונים לאטומים בגביש, חלק ניכר (כמחצית) מהפוטונים הנבלעים בהמטייט יוצרים מעברים אלקטרוניים מקומיים מסוג זה. תכונה זו אופיינה לראשונה במחקר הנוכחי כתלות באורך הגל של הפוטונים הפוגעים בחומר, בהמטייט ובכמה תחמוצות מוליכות למחצה אחרות שבהן התופעה נמצאה שולית בהשוואה להמטייט. עם זאת, החוקרים מציינים כי מדובר בתופעה לא מוכרת ולכן קרוב לוודאי שהיא קיימת גם במוליכים למחצה אחרים. עצם חשיפת התופעה והתוויית דרכים לאיפיונה מהווה פריצת דרך מדעית בחקר האינטראקציה בין אור לחומר בחומרים בעלי אלקטרונים מקושרים (correlated electron materials), ויש לה חשיבות מעשית בחקר חומרים חדשים לתאים סולאריים בעלי מאפיינים ייחודיים כדוגמת התאים הפוטו-אלקטרוכימיים לפיצול מים למימן וחמצן, נושא המחקר הנוכחי.

את המאמר שהתפרסם בכתב העת היוקרתי Nature Materials הובילו חוקרים מקבוצת המחקר של פרופ' אבנר רוטשילד מהפקולטה למדע והנדסה של חומרים בטכניון, ובהם ד"ר דניאל גרוה (מדען בכיר במחלקה להנדסת חומרים באוניברסיטת בן-גוריון בנגב), ד"ר דויד אליס והדוקטורנטית יפעת פיקנר מתוכנית האנרגיה ע"ש גרנד בטכניון (GTEP), בשיתוף חוקרים מהמכון לחקר דלקים סולאריים בראשותו של Prof. Roel van de Krol ב-Helmholtz-Zentrum Berlin. במחקר תמכו מוקד המחקר בנושא פוטוקטליזטורים ופוטואלקטרודות לייצור מימן בתוכנית לתחליפי נפט לתחבורה של הקרן הלאומית למדע (ISF), מרכז האנרגיה ע"ש גרנד בטכניון (GTEP) ומכון ראסל ברי למחקר בננוטכנולוגיה (RBNI).