אפקטים תרמואלקטריים בתאים פוטו-וולאיים תחת קרינה מרוכזת

נכון להיום, תאים פוטו-וולטאיים עדיין ממירים את רוב האנרגיה הפוטונית הנספגת בהם לחום. בתאים פוטו-וולטאיים תחת ריכוז קרינה (תאי Concentrating Photovoltaic : CPV) הנמצאים תחת שטף קרינה גבוה, איסוף נשאי המטען בהולכה חשמלית יוצר צפיפות זרם חשמלי גבוהה ביותר בעוד שפינוי החום בהולכה תרמית יוצר שטף חום משמעותי. עבודה זו חוקרת את התופעות הקשורות לאינטראקציה בין מעבר החום והחשמל ומתארת את השלכות אינטראקציה זו על ביצועיהם החשמליים של תאי ה-CPV. האפקטים התרמואלקטריים נבחנים כתורמים פוטנציאליים לפער הקיים בין תוצאות תיאורטיות ומעשיות בביצועי תאי CPV מכיוון שמודלים נוכחיים לתאים כאלו אינם מתייחסים לאפקטים הללו.

בהיווכח בפער הקיים בתוצאות המתואר לעיל, ההשפעה של אפקט תומסון (Thomson) ואפקט פלטייר (Peltier) מוערכת בנפרד ונמצאת, מה שלא זוהה עד כה, כהשפעה שאיננה זניחה. נמצא כי אפקט תומסון עשוי להגדיל או להקטין את ההספק היוצא החשמלי של תאי CPV מבוססי גרמניום (Ge), זאת במידה בת השוואה להשפעת ההתנגדות הטורית בתא. בפעם הראשונה האפקט מוצג כהתנגדות חשמלית אפקטיבית חיובית או שלילית בתא ונוסחת הדיודה הקלאסית מורחבת על מנת לתאר גם את האפקט. נמצא כי אפקט פלטייר עשוי להקטין או להגדיל באופן משמעותי את שיפוע פילוג הטמפרטורה ולפיכך את טמפרטורת הצומת בתאי CPV מבוססי גרמניום. בנוסף מוצג כי ההשפעה של אפקטיי תומסון ופלטייר על ביצועיהם החשמליים של תאי CPV אחרים מבוססי מוליכים למחצה שונים או התקני הספק גבוה אופטו-אלקטרוניים עשויה להיות מדידה אף היא תחת ריכוז קרינה גבוה או צפיפות זרם חשמלי גבוהה. מוצע כי אם ניתן יהיה לבחור חומר אחר כבסיס לתא בעל מקדם סיבק (Seebeck) גבוה יותר משמעותית, אזי הגידול ביעילות ההמרה החשמלית של התא או הירידה בגודל שיפוע הטמפרטורה לאורך התא, יובילו לשיפור רצוי משמעותי בביצועי התאים.

בהמשך, ההשפעה הכוללת של האפקטים התרמואלקטריים מנותחת לעומק באמצעות מודל חד-מימדי. מבוצעת סימולציה נומרית והתוצאות נבחנות אל מול ההערכות הקודמות. בחינה זו נותנת תוקף להערכות ואף מגלה ביטוי נוסף לאפקטים התרמואלקטריים ותרומת פוטנציאל תרמואלקטרי נוספת שלא הובחנה עד כה. הביטוי הנוסף של האפקטים ותרומת הפוטנציאל התרמואלקטרי מובילים לשיפור בביצועים החשמליים ולירידה בשיפוע פילוג הטמפרטורה בתא בתנאי זרם חשמלי שווה לאפס, שלא כפי שהוערך קודם. המודל החד-מימדי והחישובים אף מספקים לראשונה את פילוג הטמפרטורה לאורך התא. שיפוע הטמפרטורה נמצא ליניארי עם שינויים צפויים בגודלו התואמים את השינויים בשטף החום דרך התא עם ובלי האפקטים התרמואלקטריים.

מוצע ולאחר מכן מוודא בחישוב כי עם השפעתם של האפקטים התרמואלקטריים, שטף חום מוגדל (היפותטי) מן התאים העליונים, בזמן עבודת התא באותה רמת זרם, יוביל לעלייה במתח העבודה של התא ועלייה מסתמנת ביעילות ההמרה החשמלית של התא.
על מנת לתת תוקף לתוצאות התיאורטיות בעבודה זו, מוצעת עבודה בעתיד כגון מדידה ספציפית של השפעות אפקט תומסון ואפקט פלטייר ומדידת השינוי בביצועים החשמליים של התא במקביל לעלייה בשטף החום מן התאים העליונים.

לסיכום, עבודה זו מוצאת ומתארת את ההשפעה הבלתי-זניחה של האפקטים התרמואלקטריים על הביצועים של תאי CPV ומראה כי יהיה זה נכון להתייחס אפקטים תרמואלקטריים במודלים של תאי CPV לטובת שיפור עתידי פוטנציאלי לתכנון ולביצועים של תאי CPV והתקנים דומים אופטו-אלקטרוניים בהספקים גבוהים.