דיודות עקיפה בתוך התא לפאנלים סיליקון עם מגע אחורי — יעילות גבוהה ועמידות לצל

פאנלים סולאריים בטוחים יותר לגגות יומיומיים

מצפים שפאנלים סולאריים על גגות יעבדו בשקט וייצרו חשמל במשך עשרות שנים, אבל במציאות הם מכוסים על ידי עלים, שלג, ארובות ובניינים סמוכים. אפילו כתמי צל קטנים יכולים לגזול מהפאנל כוח, ומדאיג לא פחות — ליצור איזורים חמים מסוכנים שעלולים לפגוע במערכת. מאמר זה סוקר סוג חדש של תא שמש סיליקון שבונה מנגנון בטיחות ישירות בתוך כל תא, מה שהופך את הפאנלים ליעילים יותר ועמידים יותר לצל יומיומי.

מדוע הצל הוא בעיה כה משמעותית

פאנל סולארי אינו יחידה יחידה אלא שרשרת של תאים רבים המחוברים זה לזה. כאשר תא אחד מוצל, הזרם שלו יורד, אך שאר התאים המוארים ממשיכים לדחוף זרם דרכו. התא המוצל נכנס אז למצב חשמלי שנקרא פולרז הפוך (reverse bias), שבו הוא מפסיק לפעול כמקור כוח ועלול לספוג אנרגיה. התוצאה יכולה להיות התחממות קשה באזורים קטנים של התא, הידועים כנקודות חמות, שמבזבזות אנרגיה ועלולות, במקרים קיצוניים, לפגוע או להצית חלקים במודול. ההגנה הסטנדרטית משתמשת ברכיבים אלקטרוניים חיצוניים בשם דיודות עקיפה שמחוברות סביב קבוצות תאים, אך להתקין דיודה נפרדת לכל תא יהיה מסורבל ויקר מדי, וקיבוץ תאים תחת דיודה אחת נותן רק הגנה חלקית.

להפוך כל תא לשסתום בטיחות משלו

המחברים מציעים עיצוב מחודש חכם של תאי סיליקון במגע אחורי כך שלכל תא יהיה התנהגות "עקיפה" מובנית ללא הוספת רכיבים נפרדים. במקום להסתמך על דיודה חיצונית אחת שמצילה תאים רבים, הם מהנדסים שכבות בגב התא ליצירת ערוצי הולכה הפוכים זעירים מפוזרים על פני השטח. הערוצים הללו כמעט כבויים בפעולה רגילה, ושומרים על יעילות גבוהה, אך נדלקים כשהתא נדחק לפולרז הפוך בגלל צל. למעשה, התא מקבל שסתום בטיחות פנימי שמספק באופן אוטומטי מסלול לזרימה סביב אזורים מוצלים לפני שמתח מסוכן או נקודות חמות מתפתחים.

איך הערוצים המוסתרים פועלים בתוך התא

בלב העיצוב עומדת קומבינציה מוקפדת של שכבות על גב פרוסת הסיליקון. תאי מגע אחורי כבר ממקמים מגעים חיוביים ושליליים זה לצד זה בגב, מופרדים בפערים צרים. הצוות מנצל את קצוות הפערים האלה להכניס שכבות חופפות דקיקות שמעדיפות אלקטרונים באזור אחד וחורים (המטענים החיוביים) באזור אחר. תחת פולרז הפוך, אלקטרונים שנכנסים לתא המוצל נעים דרך הסיליקון ומנותבים לאזורי ההחפפה הללו, שבהם נוף האנרגיה מאפשר להם "למנהור" דרך הסטאק ולהופיע כזרם שניתן לנקז בבטחה. מאחר שסטאקים דומים חוזרים מאות פעמים לאורך גב התא, הזרם ההפוך מתפזר במקום להתרכז בנקודה חלשה אחת. סימולציות ומדידות מראות שהערוצים המהונדסים האלה מתנהגים כמו דיודות זעירות רבות ומכווננות המשולבות ישירות בתוך התא.

שמירה על ביצועים גבוהים באור יומיומי

כל מסלול נוסף לזרם מהווה סיכון לדליפה שמבזבזת כוח כאשר התא פועל כרגיל. הישג מרכזי בעבודה זו הוא עיצוב השכבות כך שיסיעו זרם משמעותי רק כאשר התא נדחק לפולרז הפוך, אך יתרמו מעט מאוד במצב הפעולה הרגיל. הצוות מנתח כיצד אלקטרונים וחורים נעים דרך הסטאקים בשתי התנאים ומכייל את עובי ותכונות החומר כך שאפקט המנהור מנוטרל בהדרגה כאשר המתח הקדמי מתקרב לנקודת העבודה של התא. כתוצאה מכך, מכשירים פרוטוטיפיים עם המבנה החדש מגיעים ליעילות המרה מאושרת של 27.49% — בשורה עם התאים הטובים ביותר במגע אחורי — ועדיין מציעים הולכה הפוכה חזקה כשנדרש.

פאנלים קרירים ויציבים בתנאים מציאותיים

כדי לבדוק האם העיצוב המיקרוסקופי הזה משפיע במציאות, החוקרים בנו מודולי שמש מלאים עם התאים החדשים והשוו אותם למודולים רגילים במבחני צל קשים. כשהרבה תאים היו מוצלים בחוזקה, מודולים סטנדרטיים פיתחו אזורים חמים שעלו במהירות לכ־190 מעלות צלזיוס. המודולים החדשים, לעומת זאת, יצבו סביב 90 מעלות, עם פיזור חום מאוזן והרבה פחות נקודות שנפגעו באופן קבוע. במבחנים שבהם רק חלק מתא אחד הוצל, מודולים קונבנציונליים איבדו כמעט חצי מתוצרת הכוח שלהם, אף על פי שהיו מותקנות דיודות עקיפה חיצוניות. מודולים המשתמשים בתאים החדשים הראו ירידת כוח מתונה בלבד, והדגימו שהערוצים המובנים מסייעים לשמור על זרימה חלקה יותר של חשמל למרות תאורה לא אחידה.

צעד לעבר אנרגיה סולארית חכמה וחזקה יותר

עבודה זו מראה שההגנה מפני צל לא חייבת להגיע מחיווט ורכיבים חיצוניים מחוץ לתא. על ידי אריגת התנהגות העקיפה במבנה התא עצמו, המחברים יוצרים מודולים סולאריים שהם גם יעילים מאוד וגם הרבה יותר עמידים לצל יומיומי, תוך הקטנת עלות ומורכבות פוטנציאלית. ככל שהאנרגיה הסולארית מתפשטת על גגות צפופים ובערים מלאות מכשולים ואור משתנה, תאים כאלה עם הגנה עצמית ועמידות לצל עשויים להפוך מערכות סולאריות לבטוחות, עמידות ואמינות יותר לבעלי בתים ולחברות החשמל כאחד.

ציטוט: Tang, H., Li, Y., Lin, H. et al. In-cell bypass diodes for high-efficiency and shading-tolerant back contact silicon photovoltaic modules. Nat Commun 17, 3360 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70005-1

מילות מפתח: תאי שמש, צל חלקי, סיליקון במגע אחורי, דיודת עקיפה, מודולים פוטו־וולטאיים