תא פוטו-וולטאי

תא פוטו-ולטאי הוא התקן היוצר אנרגיה חשמלית כתוצאה מבליעת קרינה. אפקט זה של הפיכת קרינה אלקטרומגנטית לאנרגיה חשמלית נתגלה כבר ב- 1839, אולם תאים פוטו-ולטאים שימושיים נבנו רק ב- 1955. סוללת תאי שמש מספקת את האנרגיה הדרושה לחלליות. על פני כדור הארץ סוללות כאלו הן מקור חשמל. זהו מקור צנוע אבל חשוב בגלל שהוא נקי מבחינה אקולוגית. הבעיה עם שיטה זו היא עלותה שעדיין נחשבת יקרה.

בעבודה זו נמדוד אופיינים של תא פוטו-וולטאי ונחקור את יעילות הפיכת קרינת האור לאנרגיה חשמלית בתא שמש.

רקע תיאורטי

רובם של התאים הפוטו וולטאים בנויים מחומרים חצי מוליך המורכבים כצומת p-n או ממחסום Schottky (מגע בין מתכת לחצי מוליך). בהתקנים אלה, זוגות של אלקטרון- חור, הנוצרים כתוצאה מבליעת קרינה, מופרדים על ידי שדה חשמלי פנימי הנוצר בצומת.

איור 1 מראה את המרת הקרינה הפוגעת בצומת לאנרגיה חשמלית. לתהליך זה שלושת שלבים:

1. בליעה של קרינה א"מ בחצי המוליך.

2. יצירת זוגות של נושאי מטען חיוביים ונושאי מטען שליליים והפרדה ביניהם לאזורים שונים של התא.

3. מעבר של המטענים המופרדים, דרך מגעים חשמליים, לנגד עומס.

איור 1 - תא פוטו-וולטאי

תא שמש הוא התקן חצי-מוליך להיפוך ישיר של אנרגית השמש לחשמל. עצמת קרינת השמש שמגיעה לכדור הארץ היא [math]\displaystyle{ 1.4 kW/m^2 }[/math] . חלק ממנה נבלע על-ידי האטמוספרה והחלק הזה הוא מינימלי כשהשמש נמצאת בזניט, אז מסלול קרני השמש באטמוספירה הוא הקצר ביותר, ועוצמת קרינת השמש המגיעה לכדור הארץ היא כ-[math]\displaystyle{ 1 kW/m^2 }[/math]. כדי לקבל הספק משמעותי נחוץ שטח גדול של סוללות תאי שמש, מה שהופך את השיטה ללא שימושית. למשל, כדי לקבל את ההספק של מנוע מכונית ממוצע עם מקדם יעילות של 20% נחוצה סוללת תאי שמש בשטח של 300 מ"ר, לעומת זאת בחלל תמיד יש אור שמש וניתן לדרוש הספק קטן יותר. למרות זאת, כששלחו חללית לשבתאי שנמצא רחוק מהשמש נאלצו לצייד אותו במקור אנרגיה גרעינית.

מקדם היעילות של תא שמש תלוי במספר גורמים. אומנם שמו מרמז על היפוך של קרינת השמש דווקא, אך אנו נתבונן במקורות אור בטמפרטורות שונות ולתא נקרא בשם תא פוטו-וולטאי. מקדם היעילות של התא היה יכול להיות מקסימלי לו כל הפוטונים הפוגעים בו היו נבלעים וגורמים לתופעה הפוטו-וולטאית. אבל ספקטרום הקרינה של גוף חם הנתון בנוסחה של פלנק (Planck), רחב בהרבה מספקטרום הבליעה של חצאי-מוליכים מוכרים (איור 2). במילים אחרות, בקרינה של גוף חם נמצאים הרבה פוטונים שאת האנרגיה שלהם אי-אפשר להפוך לאנרגיה חשמלית. חוץ מזה, לחלק מהפוטונים ישנה אנרגיה גדולה בהרבה מזו הדרושה. האנרגיה העודפת של פוטונים אלו הופכת לחום. עובדה זו מגבילה גם היא את מקדם היעילות של הפיכת אנרגית השמש לאנרגיה חשמלית.

מקדם יעילות ההפיכה של אנרגית שמש לאנרגיה חשמלית קטן בהרבה מיעילות הפיכתה לחום. למשל, במערכות קולטי שמש הפועלים בעזרת אנרגית השמש, האור הנקלט מנוצל כמעט במלואו. מאידך אין שיטה יעילה להפיכת אנרגית חום לאנרגיה חשמלית.

איור 2 - ספקטרום הבליעה של סיליקון וספקטרום הקרינה של השמש (6000 K), וגוף שחור בטמפ' 3000 K.

המקסימום בספקטרום הקרינה של גוף חם נמצא באורך גל [math]\displaystyle{ \lambda }[/math] הפרופורציוני באופן הפוך לטמפרטורה המוחלטת T של הגוף. תכונה זו מתוארת על ידי "חוק וין" כ- [math]\displaystyle{ \lambda_{max}*T=const }[/math] (ראו ציור 2). כך, מקסימום הקרינה של מנורת להט בטמפרטורה של כ- [math]\displaystyle{ 3000 K }[/math] נמצא באורך גל של- [math]\displaystyle{ 1 \mu m }[/math] (תחום אינפרא אדום קרוב), ושל קרינת השמש באורך גל של [math]\displaystyle{ 0.5 \mu m }[/math] . מהשוואת ספקטרום הבליעה של סיליקון לספקטרום הקרינה של גופים חמים מתקבל, שמקדם היעילות של תא סיליקון גדול יותר כשהוא מוקרן בקרינת שמש בהשוואה למנורת להט.

מערכת הניסוי

כמקור של אור משמשת מנורת להט הממולאת בגז (גז ארגון או קסנון מקשים על התאדות הוולפארם ומאפשרים להגדיל את טמפרטורת חוט הלהט). המנורה מחוברת למקור זרם קבוע.

את עוצמת הקרינה הפוגעת בתא הפוטו-וולטאי נמדוד על-ידי מד קרינה. מד הקרינה ממוקם באותו מרחק מהנורה, כמו התא הפוטו-וולטאי, אך בכיוון הנגדי. יש להפעיל את מד הקרינה ברגישות של [math]\displaystyle{ 2.5 mW/cm^2 }[/math] ל- [math]\displaystyle{ 1 mV }[/math] של מתח יציאה הנמדד בעזרת מולטימטר. השטח האפקטיבי של התא הוא [math]\displaystyle{ 6.8 cm^2 }[/math].

איור 3 - מערכת הניסוי

נמצא את יעילות הפיכת האנרגיה בתא פוטו-וולטאי על ידי השוואה לסוללה. לשם כך נחבר את שני המעגלים באיור 4. מעגל 1 מודד את יעילות סוללה רגילה, ומעגל 2 מודד את יעילותו של תא פוטו-וולטאי.

איור 4 - מעגלים למדידת אופייני מקור זרם עבור סוללה (1) ועבור תא פוטו-וולטאי (2)

במקור רגיל עם כא"מ -[math]\displaystyle{ E }[/math] והתנגדות פנימית -[math]\displaystyle{ R_i }[/math]. המתח [math]\displaystyle{ U }[/math] על הנגד המשתנה [math]\displaystyle{ R }[/math] שווה ל-[math]\displaystyle{ U=E-IR_i }[/math], הזרם במעגל הוא [math]\displaystyle{ I={E \over {(R+R_i)}} }[/math], וההספק בנגד שווה ל- [math]\displaystyle{ P=IU=I(E-IR_i)=IE-I^2R_i }[/math].

קל לראות כי ההספק האפקטיבי בנגד החיצוני [math]\displaystyle{ R }[/math] הוא מקסימלי כאשר [math]\displaystyle{ R }[/math] משתווה בגודלו ל [math]\displaystyle{ R_i }[/math] - ההתנגדות הפנימית במעגל. מקדם היעילות של המקור מוגדר כיחס בין ההספק האפקטיבי (המתקבל על נגד [math]\displaystyle{ R }[/math]) להספק המושקע ע"י מקור המתח: [math]\displaystyle{ \eta=IU/IE=1-{I \over {2I_m}} }[/math]

מהלך הניסוי

בקופסה הלבנה שברשותכם מצויים שני נגדים המחוברים בטור: האחד- נגד משתנה R והשני נגד של [math]\displaystyle{ 1 \Omega }[/math] (כך שהזרם דרכו שווה למתח עליו, ע"פ חוק אוהם). הרכיבו מעגל חשמלי המאפשר מדידה בו זמנית של המתח על הנגד המשתנה R ושל הזרם במעגל (איור 3). יש לכוון את רגישותם של החיישנים השונים, כדי שהמתח והזרם יימדדו בסקלות המתאימות לגודלם.

תחילה קבלו אופיין [math]\displaystyle{ V(I) }[/math] של הסוללה כאשר הנכם משנים את גודל נגד המשתנה (מעגל 1 באיור 4).

כעת חברו את התא פוטו-וולטאי כמתואר במעגל 2 באיור 4.

כוונו את המרחק בין הקולט הסולארי לבין ה-Radiation sensor כך שיהיו במרחקים שווים מהנורה. קבלו אופייני [math]\displaystyle{ V(I) }[/math] כאשר המתח על הנורה הוא [math]\displaystyle{ 20, 24, 28V }[/math], טמפ' הנורה במתחים אלו היא [math]\displaystyle{ 2650, 2850, 3050 K }[/math] בהתאמה.

בנו גרפים של תלות המתח והספק האפקטיבי בזרם [math]\displaystyle{ P(I),V(I) }[/math] עבור סוללה רגילה ותא פוטו-וולטאי עבור 3 טמפרטורות מקור האור.

ה-Radiation sensor מאפשר למדוד את המתח שהיה מסופק על ידי התא במקרה האידיאלי. חשבו את מקדם היעילות של התא הפוטו-וולטאי עבור שלוש הטמפרטורות של חוט הלהט. מקדם היעילות יחושב כיחס בין ההספק המקסימלי המתקבל מהתא הפוטו-וולטאי לבין הספק הקרינה המגיעה לתא.