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
Пески фрекинга: как бывший нефтяной магнат осваивает в Техасе новые ресурсы Пески фрекинга: как бывший нефтяной магнат осваивает в Техасе новые ресурсы

Компания Бада Бригэма сделает его миллиардером, если не будет угрожать ящерице

Forbes
Под давлением Под давлением

Я — поклонник инновационных технологий, и кухня у меня одна из самых оснащенных

Bones
Банан на скотче и рассол: как художники превращают еду в искусство Банан на скотче и рассол: как художники превращают еду в искусство

Художники осваивают еду как средство выражения своих идей

РБК
Неочевидный гид по Сочи: где остановиться и что посмотреть Неочевидный гид по Сочи: где остановиться и что посмотреть

Не самые очевидные развлечения в Сочи и окрестностях

Forbes
Неожиданные гастропары к шампанскому — советы виноделов и сомелье Неожиданные гастропары к шампанскому — советы виноделов и сомелье

Редиска и чипсы с крабом: нестандартные закуски к шампанскому

СНОБ
Камеры стреляют водителям в спину: кого ждут штрафы после такой фиксации Камеры стреляют водителям в спину: кого ждут штрафы после такой фиксации

Операторы показали примеры штрафов ГИБДД с работающих в спину камер

РБК
Упражнение: как перестать бояться неудачи, потери контроля и справиться с другими универсальными страхами Упражнение: как перестать бояться неудачи, потери контроля и справиться с другими универсальными страхами

Глава из книги «Пересобрать себя» — о том, как восстановиться после травмы

VC.RU
Елена Николаева: «Я шагнула в пропасть добровольно» Елена Николаева: «Я шагнула в пропасть добровольно»

Думала: «Господи, неужели я сейчас так по-дурацки погибну в какой-то Ницце?»

Коллекция. Караван историй
На повышенных оборотах На повышенных оборотах

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

Лиза
Эксперимент Muon g-2 измерил аномальный магнитный момент мюона с рекордной точностью Эксперимент Muon g-2 измерил аномальный магнитный момент мюона с рекордной точностью

Физики представили новые результаты эксперимента Muon g-2

N+1
Сломанные ребра, радиоактивная косметика и глисты для похудения: как женщины прошлого издевались над собой ради красоты Сломанные ребра, радиоактивная косметика и глисты для похудения: как женщины прошлого издевались над собой ради красоты

Бьюти-процедуры из прошлого, в существование которых сегодня верится с трудом

ТехИнсайдер
«Ночь заводов»: зачем в действующих цехах устраивают перформансы и концерты «Ночь заводов»: зачем в действующих цехах устраивают перформансы и концерты

Зачем делать действующие предприятия площадками для современного искусства

Forbes
Зачем кузнечику сабля? Зачем кузнечику сабля?

Как спрятать кладку, когда даже закопать её не можешь?

Наука и жизнь
Нищие наследники: миллиардеры, которые ничего не оставят своим детям Нищие наследники: миллиардеры, которые ничего не оставят своим детям

Наследникам этих богачей рассчитывать на родительские капиталы не приходится

VOICE
Половина контента про пожилых в тиктоке показала их с негативной стороны Половина контента про пожилых в тиктоке показала их с негативной стороны

Зумеры высмеивают бумеров за их ценности и отношение к молодежи

N+1
11 притягательных качеств, которые способствуют длительным отношениям 11 притягательных качеств, которые способствуют длительным отношениям

Качества, которые помогут сохранить ваш союз надолго

Psychologies
«Потерянные цветы Элис Харт»: сериал о детских травмах, взрослении и лжи «Потерянные цветы Элис Харт»: сериал о детских травмах, взрослении и лжи

Почему, несмотря на медленный темп, этому сериалу стоит уделить время

Forbes
Дни и ночи стрелецких казней Дни и ночи стрелецких казней

Следствие по делу стрельцов сопровождалось невиданными пытками и расправами

Дилетант
Осень на пляже Осень на пляже

Где российские туристы отдыхают в бархатный сезон

Деньги
Александр Рапопорт: «На каком-то этапе я сказал: «Хочу, чтобы всем было хорошо, но чтобы среди тех, кому хорошо, был и я тоже» Александр Рапопорт: «На каком-то этапе я сказал: «Хочу, чтобы всем было хорошо, но чтобы среди тех, кому хорошо, был и я тоже»

Александр Рапопорт рассуждает об известности и возрасте

Караван историй
Лаконичность и минимализм Лаконичность и минимализм

Процесс создания десертов зависит от проекта, для которого их нужно разработать

Bones
«Тихий наем»: почему продвижение по службе не всегда хорошо для сотрудника и компании «Тихий наем»: почему продвижение по службе не всегда хорошо для сотрудника и компании

Руководители не учитывают набор рисков, возникающих вследствие «тихого найма»

Forbes
Жизнь под буквами Жизнь под буквами

Населенные пункты с самыми длинными названиями, состоящими из одного слова

Вокруг света
Городская среда Городская среда

Дубай полностью соответствует канонам арабской сказки

Правила жизни
Ближе не будет Ближе не будет

Юлия Высоцкая пригласила к разговору о роли отца психолога Леонида Кроля

Psychologies
Наука о чужих. Жизнь и разум во Вселенной Наука о чужих. Жизнь и разум во Вселенной

Как пытались получить доказательства в пользу населённости соседних планет

Наука и жизнь
Кого убила Вирджиния Вулф: как женщины обретали себя и свою силу благодаря литературе Кого убила Вирджиния Вулф: как женщины обретали себя и свою силу благодаря литературе

Существует литература — существуют писательницы. Что такое «женское письмо»

Forbes
Не только зеленые: как кризис заставляет Евросоюз искать новые источники энергии Не только зеленые: как кризис заставляет Евросоюз искать новые источники энергии

От курса на декарбонизацию экономики Евросоюз не отказывается

Forbes
«Это несерьезно!»: почему не стоит спешить с признанием в любви «Это несерьезно!»: почему не стоит спешить с признанием в любви

Почему настораживает быстрое признание в любви и когда признаваться самое время?

Psychologies
Открыть в приложении