לייזר שאוב שמש לתאי שמש

התרמודינאמיקה מגבילה את היעילות המקסימאלית של המרת אנרגית שמש לחשמל בתאי סיליקון לכ30%. המגבלה הזו נובעת משתי סיבות. האחת:מאחר והאנרגיה שתא שמש יכול להפיק מפוטון בודד תלויה בהפרש רמות האנרגיה של תא השמש (BAND-GAP), פוטון אנרגתי מאבד את מרבית האנרגיה שלו לחום. השנייה:פוטונים בעלי אנרגיה נמוכה מהפרש הרמות של תא השמש לא מומרים לחשמל. לפיכך, איחוד של שני פוטונים מהשמש בעלי אנרגיה נמוכה לפוטון בודד באנרגיה גבוה, ופיצול של פוטון אנרגתי מהשמש לשני פוטונים בעלי אנרגיה נמוכה, יעלו את האנרגיה החשמלית אשר ניתן להפיק מהשמש מעבר למגבלה התרמו- דינאמית.

אופטיקה לא לנארית הינה כלי יעיל וזול להמיר את אור השמש באורכי-גל פחות יעילים לאור באורך-גל אופטימאלי לתאי שמש מסיליקון.
ניתן בעיקרון להמיר שני פוטונים לפוטון בודד, ולפצל פוטון למספר פוטונים, אך כיום קיים פער של סדרי גודל בין העוצמות הגבוהות והקוהרנטיות הגבוה של האור הדרוש לאפקטים לא-לנארים לבין אור השמש שהינו בעל עוצמה נמוכה וקוהרנטיות נמוכה.
החוליה המקשרת בין שני אזורי מחקר אלו הוא לייזר שאוב שמש הממיר את אור השמש לאור בעל עוצמה וקוהרנטיות מתאימים לשימוש באופטיקה לא לנארית. אך עד כה ללייזר שאוב שמש נידרש ריכוז שמש של כ2000 (עוצמת אור השווה ל2000 שמשות) ולכן עד כה לא הודגמו שימושים באופטיקה לא-לנארית לאנרגית שמש. הקבוצה של דר’ כרמל רוטשילד חוקרת לייזר שאוב שמש שיעבוד כמעט ללא ריכוז. הדגמה זו תיפתח תחום חדש באופטיקה: “אופטיקה לא לנארית לאנרגית שמש”.
הרעיון בבסיס הדגמה זו מושטת על שימוש בננו-טכנולוגיה המאפשרת להעביר אנרגיה בין מולקולות שונות ביעילות גבוה במרחקים ננומטרים. בעזרת כלים אלו אנו יכולים להקטין את מימדי הלייזר בשלושה סדרי גודל ולשמר את היכולות האופטיות החשובות ללזירה כגון בליעת אור שמש גבוה ושקיפות גבוה לאור הלזירה.
הרעיון מבוסס על מאמר שפורסם באחרונה ב-¹Advanced Materials שבו הדגים דר’ כרמל רוטשילד שיטת שרשור העברת אנרגיה המאפשרת לראשונה שאיבה לא קוהרנטית יעילה של לייזרים בעלי מימדים קטנים וקוהרנטיות גבוה.
בנוסף לאנרגית שמש,הדגמה זו תתרום לתחומים רבים בפוטוניקה על שבב כגון ספקטרוסקופיה, תקשורת, וחישה, שבהם דרוש מקור אור קוהרנטי וזול הממוקם על השבב. .
נושאים נוספים אשר עליהם עובדים בקבוצה כוללים בין השאר: פיצול פוטונים לא קוהרנטי, איחוד פוטונים לא קוהרנטי, ואילוץ קרינה תרמית לפלוט באורכי גל קצרים.
כל הנושאים הללו מכוונים להעלאת היעילות של המרת אנרגית השמש לחשמל.


¹C. Rotschild, M. Tomes, H. Mendoza, T. L. Andrew, T. M. Swager, T. Carmon, and M.A. Baldo, Cascaded energy transfer for efficient broad-band pumping of high-quality, micro-lasers, Advanced Materials, 23: n/a. doi: 10.1002/adma.201100467.