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

Астрономы нашли на Луне потенциальный источник квазиспутника Земли Астрономы нашли на Луне потенциальный источник квазиспутника Земли

Астероид Камоалева мог быть выбит с поверхности Луны в прошлом

N+1
Пермская обитель Пермская обитель

Илья Гришаев: почерк абстракции

Weekend
Загадка ночного неба: почему мы всегда видим только одну сторону Луны Загадка ночного неба: почему мы всегда видим только одну сторону Луны

Почему мы видим только один рисунок поверхности нашего спутника?

ТехИнсайдер
Описать технический прогресс. Кто придумал теорию для двигателя внутреннего сгорания Описать технический прогресс. Кто придумал теорию для двигателя внутреннего сгорания

Для своего времени ДВС стал настоящим чудом инженерной мысли

СНОБ
Удалить, нельзя оставить: все, что вы хотели знать о зубах мудрости Удалить, нельзя оставить: все, что вы хотели знать о зубах мудрости

Зубы мудрости: зачем они нужны, когда их стоит удалять и как за ними ухаживать?

Правила жизни
Клавиатура, аудиокниги и другое: предметы, которые изначально были изобретены для людей с ограниченными возможностями Клавиатура, аудиокниги и другое: предметы, которые изначально были изобретены для людей с ограниченными возможностями

Истории обычных "удобных" предметов, которая вас поразят

ТехИнсайдер
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
Зачем кузнечику сабля? Зачем кузнечику сабля?

Как спрятать кладку, когда даже закопать её не можешь?

Наука и жизнь
Лета больше не будет: почему наступает климатический кризис и как ИИ его приближает Лета больше не будет: почему наступает климатический кризис и как ИИ его приближает

Сколько воды уходит на каждую переписку с чат-ботом?

Forbes
Управляющие отчитались о росте Управляющие отчитались о росте

Самые успешные инвестиции середины лета

Деньги
Как управлять эмоциями: 3 стратегии Как управлять эмоциями: 3 стратегии

Переживания бывают неприятны. Нужно ли их избегать, подавлять или принимать?

Psychologies
Восстановить мужские ориентиры Восстановить мужские ориентиры

Молодые пары сегодня все реже следуют традиционному распределению ролей

Psychologies
Путь повара Путь повара

Как шеф-повар Андрей Жданов строил свою карьеру

Bones
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
Исчезающий вид. Что такое айсвайн, или «ледяное вино» Исчезающий вид. Что такое айсвайн, или «ледяное вино»

Чем айсвайн отличается от классических вин и почему его нельзя выпить много?

СНОБ
Вовлеченность отцов в воспитание связали со сниженным риском задержки нервно-психического развития у детей Вовлеченность отцов в воспитание связали со сниженным риском задержки нервно-психического развития у детей

В вовлеченность отцов в воспитание снизила риск задержки развития детей

N+1
Секс с нарциссом: 5 особенностей, которые важно знать Секс с нарциссом: 5 особенностей, которые важно знать

Как понять, что вы попали в ловушку отношений именно с нарциссом?

Psychologies
Москва и Киев. Первая неделя войны Москва и Киев. Первая неделя войны

В первые дни ВОВ Совнарком СССР озаботился вопросом состояния торговли

Дилетант
Птицы научились использовать лапы вместо рук благодаря древесному образу жизни предков Птицы научились использовать лапы вместо рук благодаря древесному образу жизни предков

Как некоторые птицы научились хватать добычу или подносить пищу к клюву?

N+1
Легендарный советский реквизит, который кочевал из фильма в фильм Легендарный советский реквизит, который кочевал из фильма в фильм

Порой один и тот же реквизит снимался в советских фильмах чаще, чем актеры

Maxim
Пища для ума: эти доступные продукты Пища для ума: эти доступные продукты

Продукты, которые поддержат активность перегруженного мозга

VOICE
Нейробиологи нашли механизм мозга, управляющий концентрацией внимания Нейробиологи нашли механизм мозга, управляющий концентрацией внимания

Основную роль в концентрации внимания играет скоординированная активность

ТехИнсайдер
Что умеет нейросеть «Сбера» GigaChat Что умеет нейросеть «Сбера» GigaChat

«Сбер» запустил свой аналог ChatGPT — нейросеть GigaChat. Что она умеет?

СНОБ
«Она меня и близко не подпустит»: как женщины мешают мужчинам быть хорошими отцами «Она меня и близко не подпустит»: как женщины мешают мужчинам быть хорошими отцами

Глава из книги Тобиаса Морштедта «Плохие хорошие отцы»

Psychologies
Мертвый язык Мертвый язык

«...мертвым он был в самом прямом смысле, речь шла о языке мертвых!»

Вокруг света
Чтение выходного дня: отрывок из книги «Тирания мух» Элайне Вилар Мадруги Чтение выходного дня: отрывок из книги «Тирания мух» Элайне Вилар Мадруги

Глава из жуткого, сотканного из детский страхов романа

Правила жизни
11 важных дат из истории Sukhoi Superjet 11 важных дат из истории Sukhoi Superjet

Sukhoi Superjet: история в датах

Maxim
Масло гхи: что это, как приготовить, польза и вред Масло гхи: что это, как приготовить, польза и вред

Есть ли в польза в масле гхи?

РБК
Как дебют Кристиана Бейла в кино у советского режиссера едва не закончился трагедией Как дебют Кристиана Бейла в кино у советского режиссера едва не закончился трагедией

Кинодебют Кристиана Бейла прошел под руководством советского режиссера

VOICE
Катя Кабак: «Привычка ставить себя в неловкое положение — это суперсила» Катя Кабак: «Привычка ставить себя в неловкое положение — это суперсила»

Катя уверена: главное — не бояться пробовать новое

Коллекция. Караван историй
Открыть в приложении