מודלינג TCAD של Silvaco, סימולציה אופטי ואופטימיזציה לתאי שמש טנדם פרובסקיט ו-u-CIGS בעומס גבוה עם יעילות מעל 30%

אנרגיה נקייה יותר מאחזור חכם של אור השמש

בעוד העולם מחפש דרכים להקטין פליטות פחמן ולמלא את הביקוש האנרגטי ההולך וגדל, פנלים סולריים נתונים ללחץ לעשות יותר מכל קרן שמש. מחקר זה בוחן סוג חדש של תא שמש "טנדם" שמניח שני חומרים סופחי אור מתקדמים אחד על גבי השני, במטרה להפיק יותר חשמל מאותם קרני שמש ובו־בזמן להימנע משימוש בעיקרים נדירים או רעילים כמו עופרת ואינדיום. העבודה עושה שימוש בסימולציות ממוחשבות מפורטות כדי להראות כיצד עיצוב כזה יכול באופן ריאליסטי להגיע ליעילות מעל 30%, צעד משמעותי מעבר לרוב הפנלים על הגגות היום.

מדוע ערימת שכבות שמש משפרת ביצועים

פנלים סולריים מסורתיים משתמשים בשכבת ספיגה יחידה, מה שאומר שהם יכולים ללכוד רק פוטונים בעלי מספיק אנרגיה כדי לחצות מרווח אנרגיה של אותו חומר. פוטונים בעלי אנרגיה גבוהה יותר מאבדים את העודף שלהם כחום, ופוטונים בעלי אנרגיה נמוכה עוברים דרכם ישירות — שניהם מהווים אובדן של אור השמש. תא טנדם מתמודד עם זה על ידי הצבת שני סופחים שונים בשכבות. השכבה העליונה מכוונת לתפיסת החלק הכחול והאנרגטי יותר של הספקטרום, בעוד השכבה התחתונה מכוונת ללכוד את האור האדמדם והנמוך‑אנרגיה שעובר דרכה. מכיוון שכל שכבה פועלת קרוב יותר לטווח האנרגיה האידיאלי שלה, המכשיר המשולב יכול להמיר חלק גדול יותר של אור השמש לחשמל שימושי.

בניית טנדם ירוק יותר: ללא עופרת וללא אינדיום

המחברים מתכננים מכשיר דו‑שכבתי שבו התא העליון מורכב מפרובסקיט ללא עופרת הנקרא מתילאמוניום ביסמוט יודיד (MBI), והתא התחתון הוא סרט דק של מוליך למחצה CIGS הידוע (סלניד נחושת‑אינדיום‑גליום). כדי להימנע משימוש באינדיום הנדיר במשטח הקדמי השקוף, הם מחליפים את תחמוצת בדיל‑אינדיום (ITO) הנפוצה בתחמוצת בדיל‑פלואור (FTO). FTO לא רק מתגבר על חששות האספקה, אלא גם סובל טמפרטורות גבוהות יותר ושחיקה מכנית, מה שהופך אותו לאטרקטיבי לייצור בקנה מידה גדול. התא היחיד המדומה של MBI עם FTO מגיע לבדו ליותר מ‑15% יעילות, ומייצב בסיס מוצק לערימה עם שכבת ה‑CIGS שמתחתיו.

כיצד כיוונון מדויק פותח יעילות גבוהה

הנחת שכבה אחת על השנייה אינה בהכרח מבטיחה פנל טוב יותר: שני התת‑תאים חייבים לספק את אותו הזרם החשמלי כאשר מחוברים בטור, אחרת החלש ביניהם יגביל את כל המכשיר. כדי לפתור זאת, החוקרים משתמשים בחיפוש נומרי דו‑שלבי לכיול עובי שכבת ה‑MBI כך שהזרם מהתא העליון והתא התחתון יתאימו בתוך שולי טעות זעירים. הם גם ממדלים כיצד האור מחזיר, מתאבך ונבלע כאשר הוא עובר בכל שכבה — מן הכיסוי הזכוכיתי ומגע הקדמי FTO, דרך הפרובסקיט וחיבור זהוב דק מאוד, ועד לסרט ה‑CIGS ומגע החזרה המתכתי. במקביל הם מחשבים כיצד אלקטרונים וחורים נעים, מתאחדים ונאספים, באמצעות מודלים פיזיקליים שאושרו מול ניסויים במכשיר בודד אמיתי.

מה הסימולציות מגלות על תא הטנדם

עם כל הפרטים הללו, המכשיר הטנדמי המדומה משתמש בשכבת MBI בעובי של כ‑420 ננומטר מעל שכבת CIGS בעובי 500 ננומטר. התא העליון סופג כמעט את כל האור באורכי גל קצרים מ‑ערך של כ‑650 ננומטר ומטה, בעוד שפוטונים באורך גל ארוך יותר עוברים דרכו ונלכדים ביעילות על‑ידי CIGS. התוצאה היא צפיפות זרם משותפת קרובה ל‑20 מיליאמפר לסנטימטר מרובע בשתי השכבות. בהנחות אידיאליות לגבי שלמות החומר והפסדי האופטיקה, המודל מניב יעילות המרת כוח מרשימה של כ‑36%. כאשר המחברים מכניסים רמות מציאותיות יותר של פגמים והפסדי ממשק, הביצועים מתייצבים סביב כ‑30%, שעדיין גבוה משמעותית מרוב הפנלים המסחריים החד‑צירים ותואם לטובי אב‑הטנדם המדווחים בשנים האחרונות.

מדוע גישה זו חשובה לפנלים סולריים עתידיים

לא־מומחים, המסר המרכזי הוא שעיצוב חכם — ולא פיזיקה חדשה אקזוטית — יכול לדחוף פנלים סולריים הרבה מעבר למגבלות היעילות של היום. על‑ידי הערמת פרובסקיט ללא עופרת המכוון לאור כחול על גבי שכבת CIGS המכוונת לאור אדום, ובהחלפת אינדיום נדיר בזכוכית FTO עמידה יותר, המחברים מתווים דרך לעבר מודולים סולריים נקיים, חזקים וברי־קיימא יותר. הסימולציות שלהם פועלות כמפת דרכים, ומראות אילו עוביים שכבות, חומרי מגע ואיכויות ממשק הם החשובים ביותר. אם מדעני החומרים יצליחו להתקרב לתנאים אלה במעבדה ובמפעל, פנלים סולריים שהופכים שליש או יותר מאור השמש הנכנס לחשמל עשויים להפוך למציאות פרקטית, ובכך לסייע למלא את צורכי האנרגיה העולמיים עם פחות פנלים, פחות שטח והשפעה סביבתית נמוכה יותר.

ציטוט: Mosalanezhad, R., Shayesteh, M.R. & Pourahmadi, M. Silvaco TCAD modeling, optical simulation, and optimization for high-current perovskite and u-CIGS tandem solar cells with efficiencies above 30%. Sci Rep 16, 8611 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39816-6

מילות מפתח: תאי שמש טנדם, פוטוולאטאים פרובסקיטיים, סרט דק CIGS, חומרי שמש ללא עופרת, סימולציית תאי שמש