Как ученые собирают идеальную солнечную батарейку

N+1Наука

Гонки на тандемах

Как ученые собирают идеальную солнечную батарейку

Наталья Самойлова

В первый день лета 2023 года группа Стефана де Волфа объявила, что создала солнечный элемент с рекордной эффективностью — 33,7 процента. Это почти на десять процентов выше, чем у лучших коммерческих элементов. Хитрость здесь в том, что все последние элементы-рекордсмены — двухслойные. Рассказываем, почему кремниево-перовскитные тандемы начали обгонять своих предшественников-одиночек, чем они похожи на болиды Формулы-1 и кто в этой гонке фаворит.

Солнце под капотом

Главная метрика, которая отличает хороший солнечный элемент от элемента похуже, — его эффективность (или КПД). Эта величина показывает, какую часть всей энергии солнечного света, упавшего на поверхность батареи, удалось превратить в электрическую.

Это превращение — процесс многостадийный, и потери энергии происходят на каждом этапе: от поглощения света до передачи электронов непосредственно в электрическую цепь. Поэтому суммарная эффективность элемента обычно оказывается ниже — в зависимости от количества дефектов в полупроводнике, качества контактов, толщины активного слоя и особенностей конструкции.

Но есть тут и одно фундаментальное ограничение — ширина запрещенной зоны полупроводника, на котором работает солнечный элемент. От нее зависит, сколько солнечного света может в принципе поглотить элемент и сколько электронов, способных проводить ток, появится в его активном слое.

Спектр солнечной радиации: по горизонтальной оси отложена длина волны (она обратно пропорциональна энергии фотонов), желтым светом показан спектр без влияния атмосферного поглощения, красным — достигший поверхности земли. Robert A. Rohde / Wikimedia commons

Чтобы солнечный элемент работал эффективно, как можно больше фотонов должны превращать непроводящие электроны в полупроводнике в проводящие. Для этого нужно подобрать материал, у которого запрещенная зона будет подходящего размера.

Если запрещенная зона слишком широкая, большая часть фотонов пройдет сквозь солнечный элемент и не поглотится. Эффективность такого элемента, конечно, высокой не будет. Но и материал со слишком маленькой запрещенной зоной не сделает элемент эффективным. От одного фотона все равно получается только одна пара электрон-дырка, а остаток энергии рассеивается в виде тепла. Кроме того, большая часть света поглощается в приповерхностной области полупроводника, поэтому эта область быстро нагревается, что может быть вредно для солнечного элемента.

Получается, что с увеличением ширины запрещенной зоны доля полезной солнечной энергии сначала растет, а затем начинает уменьшаться. Для такого света, какой падает на поверхность нашей планеты (в нем больше всего фотонов обладают энергией примерно 2,5 электронвольта), максимум этой кривой (то есть оптимальное значение ширины запрещенной зоны) находится в районе 1,34 электронвольта.

Но даже если удастся найти материал с запрещенной зоной именно такой ширины и построить из него солнечный элемент, его эффективность все равно не будет стопроцентной. В 1961 году нобелевский лауреат Уильям Шокли и Ханс-Йоахим Квайссер рассчитали, что с учетом всех потерь эффективность однослойного солнечного элемента в принципе не может быть выше 30 процентов. Предел Шокли — Квайссера несколько раз уточняли, и на сегодняшний день общепринятое значение предела — 33,7 процента1.

1Вы уже встречали в этом тексте значение эффективности в 33,7 процента, но не обманывайтесь. Сейчас речь о максимальном значении для однослойного элемента, а рекорд, о котором мы упомянули вначале, относится к солнечным элементам с двумя полупроводниковыми слоями. О них вы прочитаете дальше. Их теоретический максимум значительно выше.

Это значит, что даже в идеальном случае можно превратить в электричество чуть больше трети солнечной энергии. Остальная — потеряется: 47 процентов энергии превратится в тепло, 18 процентов не получится поглотить вообще и еще 0,2 процента уйдет за счет рекомбинации только что сгенерированных электронов и дырок.

На чем поедем

Одним из самых близких к идеалу оказался кремний — у него ширина запрещенной зоны от 1,12 до 1,15 электронвольта. Это немного меньше оптимальных 1,34 электронвольта, поэтому и теоретический максимум будет ниже предела Шокли — Квайссера: около 29,4 процента.

Вообще, с кремнием человечеству крупно повезло. Он не только обладает запрещенной зоной нужной ширины, но еще и достаточно инертен. Кроме того, кремний и его соединения часто встречаются в земной коре. Поэтому кремниевые солнечные элементы несложно произвести, они стабильны и хорошо изучены. Рекорд эффективности, которого пока удалось добиться для кремния, — 26,1 процента, всего на три процента ниже теоретического максимума. А лучшие ячейки, которые производят серийно, уже добрались до 24 процентов.

3d4a02741f46a7452eb8bf7ff94cd9c9.jpg
Кремниевый солнечный элемент на крыше дома в Италии. David TREBOSC / flickr

Правда, высокая эффективность стоит дорого. Кремний для солнечных элементов должен быть очень чистым — не ниже 99,9999 процента (на каждый миллион атомов кремния разрешается один примесный атом). Чтобы получить такие кристаллы, кремний нагревают до температур выше полутора тысяч градусов Цельсия, это очень долгий и дорогой процесс.

По мере того, как технологии совершенствуются, а в Китае и США открываются масштабные производства, кремниевые элементы, а с ними и солнечное электричество постепенно дешевеют: в 2020 году стоимость киловатт-часа в некоторых регионах опустилась до 0,04 доллара США. Но технологии нельзя совершенствовать бесконечно, и довольно скоро солнечные элементы дешеветь перестанут.

Чтобы соревноваться с кремниевыми элементами, нужно использовать или заметно более дешевый материал, или заметно более эффективный. А в идеале, конечно, — и то и то. Потенциальные соперники, впрочем, пока далеко.

Например у арсенида галлияGaAs (и других соединений из группы III-V) ширина запрещенной зоны ближе к оптимальному значению, чем у кремния, и у элементов на его основе эффективность уже добралась до 29,1 процента. Но такие батарейки заметно дороже кремниевых, к тому же запасы исходных материалов для них ограничены. Органические солнечные элементы, наоборот, обходятся дешевле, но малоэффективны (менее 20 процентов), и главное — не очень устойчивы. Основной конкурент сейчас — солнечные элементы на основе перовскитов, смешанных галогенидов свинца с общей формулой APbI

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Мажорные аккорды российских атомщиков: как технологии открывают путь к (почти) неисчерпаемой энергии Мажорные аккорды российских атомщиков: как технологии открывают путь к (почти) неисчерпаемой энергии

Реактор БН-800: как он может повлиять на будущее человечества?

СНОБ
Слово защите: как топ-менеджменту и службе информбезопасности выстроить диалог Слово защите: как топ-менеджменту и службе информбезопасности выстроить диалог

Какой должна быть служба информационной безопасности в новых условиях

Forbes
«Реинкарнация. Новая глава»: хоррор о сестринстве и материнстве «Реинкарнация. Новая глава»: хоррор о сестринстве и материнстве

Что такое фем-хоррор и как Дайна Рид превращает детскую травму в кошмар?

Forbes
5 таинственных авиакатастроф за последние 50 лет 5 таинственных авиакатастроф за последние 50 лет

За последние 50 лет множество самолетов исчезли таинственным образом

ТехИнсайдер
Время как концепция Время как концепция

У нас были закуплены сезонные продукты и много времени, чтобы что-то сделать...

Bones
Топливо империй или пища для лошадей: как овсянка покорила Шотландию, а затем и мир Топливо империй или пища для лошадей: как овсянка покорила Шотландию, а затем и мир

Как овсянка стала одним из важнейших продуктов в истории человечества?

Forbes
Как российским брендам завоевать зарубежные рынки и стоит ли это делать Как российским брендам завоевать зарубежные рынки и стоит ли это делать

Участники разговора обсудили положение креативных индустрий России

СНОБ
На море, в поход или в горы: какую аптечку взять в отпуск? На море, в поход или в горы: какую аптечку взять в отпуск?

На любом отдыхе нужно быть во всеоружии и заранее подготовить аптечку

Maxim
Вилла Grey Stone Вилла Grey Stone

Современный дом для отдыха, где много воздуха

SALON-Interior
«Счастье»: оглушительная казахстанская драма о домашнем насилии за закрытыми дверями «Счастье»: оглушительная казахстанская драма о домашнем насилии за закрытыми дверями

Казахстанская драма «Счастье» Аскара Узабаева, «фильм-катастрофа»

Forbes
От «Советского шампанского» до сырка «Дружба»: как появились популярные гастрономические бренды СССР От «Советского шампанского» до сырка «Дружба»: как появились популярные гастрономические бренды СССР

Легендарные продукты, вкус которых до сих пор вызывает ностальгию

Maxim
10 способов испортить первое свидание 10 способов испортить первое свидание

Каких поступков и тем следует избегать при первом свидании?

Psychologies
Возраст сексуального согласия: 8 тем, которые необходимо обсудить с подростком Возраст сексуального согласия: 8 тем, которые необходимо обсудить с подростком

О чем нужно предупредить ребенка, обсуждая с ним сексуальное согласие?

Psychologies
Яркие краски до самых заморозков Яркие краски до самых заморозков

Какие растения посадить на клумбе, чтобы они цвели до наступления холодов

Лиза
«Это для твоего же блага»: как детский спорт может стать формой насилия «Это для твоего же блага»: как детский спорт может стать формой насилия

Как устроена детская мотивация в спорте и при чем тут насилие

Forbes
Дубай. Город intro. Как состояться в Дубае и избежать ошибок Дубай. Город intro. Как состояться в Дубае и избежать ошибок

Продюсер Митя Муравьев открывает главный дубайский секрет

Правила жизни
На повышенных оборотах На повышенных оборотах

8 крутых тренировок, которые сжигают больше всего калорий (до 1000 за занятие)

Лиза
Заражение глистами вылечило диабет II типа и ряд кишечных инфекций: помощь от паразитов Заражение глистами вылечило диабет II типа и ряд кишечных инфекций: помощь от паразитов

Ученые видят блестящее будущее для этой странной терапии нематодами

ТехИнсайдер
Биполярное судно: Россия строит самый большой и  многофункциональный ледокол Биполярное судно: Россия строит самый большой и  многофункциональный ледокол

Россия приступила к строительству научно-экспедиционного судна «Иван Фролов»

ТехИнсайдер
ТОП-9 самых умных животных планеты ТОП-9 самых умных животных планеты

Животный мир полон умников!

ТехИнсайдер
Карты, деньги, два стола: 15 лучших фильмов об азартных играх Карты, деньги, два стола: 15 лучших фильмов об азартных играх

Поп лучших фильмов про покер и другие карточные и азартные игры

Forbes
Неочевидные минусы СССР Неочевидные минусы СССР

Старшее поколение уже не помнит, а молодежь еще не знает

Maxim
Люди не уследили за мурашками на собственной коже Люди не уследили за мурашками на собственной коже

Ощущение мурашек по коже (пилоэрекция) часто нас обманывает

N+1
Принцесса моря Принцесса моря

Princess S80: новая моторная яхта со спортивным флайбриджем

Y Magazine
Рискованный шаг: почему повышения ставки ЦБ может быть мало для стабилизации рубля Рискованный шаг: почему повышения ставки ЦБ может быть мало для стабилизации рубля

Какие меры были бы более эффективными для стабилизации валютного рынка

Forbes
«Только ты и я»: драма о том, как домашнее насилие притворяется идеальным браком «Только ты и я»: драма о том, как домашнее насилие притворяется идеальным браком

Как «Только ты и я» воссоздает реальность женщины, попавшей в абьюзивный брак

Forbes
Очищенную воду можно получить прямо из тумана Очищенную воду можно получить прямо из тумана

Разработан метод, позволяющий собирать воду из тумана и одновременно очищать ее

ТехИнсайдер
Смог, потребность в айтишниках и драки «район на район»: коротко о жизни в Папуа-Новой Гвинее Смог, потребность в айтишниках и драки «район на район»: коротко о жизни в Папуа-Новой Гвинее

Как живут люди на юго-западе Тихого океана?

VC.RU
Казино без алкоголя: почему математики не любят рулетку и во что играют инвесторы Казино без алкоголя: почему математики не любят рулетку и во что играют инвесторы

Отрывок из книги популяризатора найки Нила Деграсса Тайсона — «Послание звезд»

Forbes
Ген долголетия, полученный от голого землекопа, увеличил продолжительность жизни мышей Ген долголетия, полученный от голого землекопа, увеличил продолжительность жизни мышей

Исследователи Рочестерского университета успешно перенесли ген долголетия мышам

ТехИнсайдер
Открыть в приложении