חוקרי הטכניון גילו כי כליאת אור בשכבות דקות של תחמוצת ברזל (“חלודה”) יכולה להביא לפירוק מים ויצירת דלקים סולריים

הגילוי התפרסם בכתב העת המדעי היוקרתי Nature Materials

חוקרי הטכניון גילו כי כליאת אור בשכבות דקות של תחמוצת ברזל (“חלודה”) יכולה להביא לפירוק מים ויצירת דלקים סולריים. הגילוי שלהם התפרסם בכתב העת המדעי היוקרתי  Nature Materials.

“הטמעת טכנולוגיות אנרגיה ממקורות מתחדשים וברי-קיימא (“אנרגיה ירוקה”) כמרכיב משמעותי במשק האנרגיה דורשת מציאת דרכים זולות ויעילות לאגירת אנרגיה ואספקתה בזמן ובמקום הדרושים” מסביר פרופסור אבנר רוטשילד מהפקולטה למדע והנדסה של חומרים. “אחת הדרכים לאגירת אנרגיית השמש היא פירוק מים, באמצעות פוטו-אלקטרוליזה, ויצירת מימן וחמצן. המימן הנוצר בתהליך זה יכול לשמש כדלק אותו ניתן להמיר לחשמל באמצעות תאי דלק בתהליך נקי ו”ידידותי” לסביבה. לחילופין, ניתן להשתמש בו כחומר גלם ליצירת דלקים נוזליים באמצעות שילובו עם פחמן דו-חמצני או שאריות צמחים (ביו-מסה). הדלקים המופקים בשיטה זו מכונים דלקים סולריים והם עשויים להוות תחליף לנפט ודלקים אחרים הנכרים מבטן האדמה (דלקים פוסיליים). בניגוד לדלקים הפוסיליים, הדלקים הסולריים מופקים ממקורות מתחדשים והם אינם גורמים לעליה בריכוז הפחמן הדו-חמצני באטמוספירה. האתגר הגדול העומד בפני המעבר המתבקש מדלקים פוסיליים ההולכים ומתדלדלים ומשפיעים לרעה על הסביבה לדלקים סולריים נקיים וברי-קיימא כרוך בפיתוח טכנולוגיות חדשות לייצור זול ויעיל שלהם”.

חוקרי הטכניון פיתחו דרך חדשנית לביצוע פוטו-אלקטרוליזה של מים באמצעות שכבות דקות, בעובי של כ- 20 עד 30 ננומטר (ננומטר: אחד חלקי מיליארד של מטר), של תחמוצת ברזל (Fe₂O₃). תחמוצת ברזל היא חומר מוליך למחצה המהווה מרכיב עיקרי בחלודה. ניתן להפיקה מעפרות ברזל נפוצות באופן פשוט וזול. בניגוד לרוב המכריע של החומרים המוליכים למחצה מהם מייצרים תאים סולריים, תחמוצת ברזל יציבה במים והיא אף מסוגלת לפרק את המים לחמצן ומימן מבלי לשנות את הרכבה ותכונותיה. לכן, היא המועמדת המרכזית לפיתוח תאים פוטו-אלקטרוכימיים לפירוק מים באמצעות אנרגיית השמש. אולם, בשל הפער הגדול בין מרחק הבליעה הגדול של האור בתחמוצת ברזל ומרחק התנועה הקטן של נושאי המטען הנוצרים עקב בליעת האור בחומר, קשה לפתח פוטו-אלקטרודות מתחמוצת ברזל בעלות יעילות אנרגטית גבוהה.

חן דותן, משתלם לתואר דוקטור בהנחייתו של פרופסור רוטשילד, מצא כי ניתן להתגבר על בעיה זו על ידי כליאת האור בשכבות דקות של תחמוצת ברזל באופן המגביר משמעותית את יעילות הבליעה בהן. הגברת הבליעה מתאפשרת בשל התאבכות בונה של גלי האור הפוגעים בשכבה ומתקדמים בה קדימה וגלי האור המוחזרים אחורה בהגיעם לקצה הנגדי (האחורי) של השכבה שם הם פוגשים מראה המחזירה את האור לאחור, בחזרה לשכבה. בעזרת עופר כפיר, משתלם לתואר דוקטור בקבוצת המחקר של פרופסור אורן כהן מהפקולטה לפיסיקה בטכניון, ומשתלמים אחרים בקבוצת המחקר של פרופסור רוטשילד, חן פיתח ושכלל את השיטה ויצר פוטו-אלקטרודות משכבות דקות של תחמוצת ברזל על גבי מצע זכוכית מצופה בחומר מחזיר אור העשוי מסגסוגת כסף-זהב. סגסוגת זו, אשר פותחה על ידי המשתלמים אלעד שרלין ואושרי בלנק מקבוצת המחקר של פרופסור רוטשילד, ייחודית בכך שהיא משלבת החזרה כמעט מלאה של האור (באורכי גל בתחום הנראה) ושמירה על יציבות לאורך זמן. האלקטרודות הללו השיגו יעילות גבוהה המתבטאת בקצב פירוק מים ויצירת חמצן ומימן גבוה מכל הדיווחים הקודמים על אלקטרודות מתחמוצת ברזל.

המחקר פותח אופקים חדשים לתכנון וייצור תאים פוטו-אלקטרוכימיים בעלי מבנה פשוט וחכם באמצעותו ניתן להתגבר על מגבלות החומר ולהשיג יעילות בליעה גבוהה בד בבד עם יעילות קוונטית גבוהה המאפשרת השגת הספקים גבוהים. כליאת האור בשכבות דקות כל כך, בעובי של כמה עשרות ננומטרים, מהווה פריצת דרך חשובה אשר עשויה לאפשר פיתוח תאים סולריים בעלי יעילות גבוהה מחומרים מוליכים למחצה זולים ונפוצים, כדוגמת תחמוצת ברזל. ניתן לשלב את התאים הפוטו-אלקטרוכימיים שפותחו ויוצרו בטכניון יחד עם תאים פוטו-וולטאיים, כמו למשל תאי סיליקון המותקנים בהיקפים הולכים וגדלים בארץ ובעולם, על מנת להפיק חשמל ומימן בשעות בהן השמש זורחת. את המימן ניתן לאגור לשימוש בשעות החשיכה או, לחילופין, להמירו לדלקים סינטטיים. בנוסף, כליאת אור בשכבות דקות כל כך מאפשרת הפחתה ניכרת של כמות החומר הדרוש לייצור תאים פוטו-וולטאיים מדור שני. תאים אלו בנויים מתרכובות מוליכות למחצה המכילות יסודות נדירים כגון טלוריום (ב- CdTe) או אינדיום (ב- CuIn_1-xGa_xSe₂ או בקיצור CIGS), דבר המגביל את יישומם בהיקפים גדולים. השיטה שפותחה בטכניון מאפשר להקטין את עובי השכבה, ואת כמות החומר הדרוש לבנייתה, בעשרות אחוזים (עד כדי 95%, לפי הערכת החוקרים) מבלי להפחית ביעילות בליעת האור בשכבה. כך ניתן להקטין את עלויות הייצור של תאים אלו, מבלי לאבד מיעילותם, ולהפכם לתחרותיים יותר.

המחקר מתבצע כולו בטכניון, במעבדה לחומרים והתקנים אלקטרו-קרמיים בפקולטה למדע והנדסה של חומרים בשיתוף עם המעבדה לייצור ואפיון תאים סולריים במרכז זיסאפל למיקרו- וננו-אלקטרוניקה. מעבדות אלו הוקמו בעזרת המכון לננוטכנולוגיה ע”ש ראסל ברי (RBNI) ותכנית אנרגיה ע”ש גרנד של הטכניון (GTEP). המחקר מומן בעבר על ידי תכנית המחקר של האיחוד האירופאי (FP7) וכיום הוא ממומן על ידי תכנית מרכזי המצוינות של הוועדה לתכנון ותקצוב והקרן הלאומית למדע, ותכנית קמין לקידום מחקר יישומי נבחר מטעם משרד התמ”ת.

בתמונה: תא פוטו-אלקטרוכימי בפעולה: כליאת אור בשכבות דקות של תחמוצת ברזל (חלודה) גורמת לפירוק מים ויצירת בועות של מימן וחמצן. צילמה: מורן גרוס, דוברות הטכניון