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

Психологический рубеж: зачем нужен возраст согласия и какие проблемы он не решает Психологический рубеж: зачем нужен возраст согласия и какие проблемы он не решает

Как появился возраст согласия? Могут ли секс-преступники избежать наказания?

Forbes
Три банкета в день Три банкета в день

За год в ресторане Modus проходит больше тысячи банкетов

Bones
Дьявол в мире самолетных запчастей: как TransDigm наживается на Пентагоне и авиации Дьявол в мире самолетных запчастей: как TransDigm наживается на Пентагоне и авиации

Дела у Николаса Хоули сейчас идут просто отлично

Forbes
Инженеры напечатали веганские кольца кальмара Инженеры напечатали веганские кольца кальмара

Сингапурские ученые напечатали на 3D-принтере вегетарианский морепродукт

N+1
«Энергия покоя»: история любви Улая и Марины Абрамович «Энергия покоя»: история любви Улая и Марины Абрамович

Историю совместной жизни Улая и Марины Абрамович — личной и профессиональной

Правила жизни
«Он тебе не пара» «Он тебе не пара»

Что делать, если семья не одобряет твой выбор партнера

Лиза
«Не встал»: 5 неочевидных причин худшего из мужских кошмаров «Не встал»: 5 неочевидных причин худшего из мужских кошмаров

Проблемы с эрекцией в самый неожиданный момент — не только стыдно, но и тревожно

Psychologies
Что такое карвинг и как делают эту завивку Что такое карвинг и как делают эту завивку

В чем особенности карвинга, как его делают и на какой длине он выглядит лучше

РБК
От чего зависит цвет глаз человека и можно ли его изменить От чего зависит цвет глаз человека и можно ли его изменить

Что же влияет на цвет глаз людей и почему он почти никогда не повторяется?

ТехИнсайдер
Российский коньяк: что можно пить без последствий и с удовольствием? Российский коньяк: что можно пить без последствий и с удовольствием?

На какие из российских коньяков стоит обращать внимание при покупке?

Maxim
Дни и ночи стрелецких казней Дни и ночи стрелецких казней

Следствие по делу стрельцов сопровождалось невиданными пытками и расправами

Дилетант
Новый антибиотик заставляет вредных микробов совершать самоубийство: наш шанс в борьбе с супербактериями Новый антибиотик заставляет вредных микробов совершать самоубийство: наш шанс в борьбе с супербактериями

Новый препарат может помочь переломить ход борьбы с супербактериями

ТехИнсайдер
Россия скорректирует пошлину на вывоз подешевевших удобрений: кто в выигрыше Россия скорректирует пошлину на вывоз подешевевших удобрений: кто в выигрыше

Правительство России готовится ввести временную пошлину на экспорт удобрений

Forbes
Кружевная история Кружевная история

Наш путь лежит в край голубых озер, резных наличников и знаменитого масла

Лиза
Ближе не будет Ближе не будет

Юлия Высоцкая пригласила к разговору о роли отца психолога Леонида Кроля

Psychologies
Ученые извлекли древнюю ДНК из 3000-летнего кирпича Ученые извлекли древнюю ДНК из 3000-летнего кирпича

Ученые успешно получили древнюю ДНК из глиняного кирпича возрастом 2900 лет

ТехИнсайдер
Лень — не порок: несколько научных доказательств, почему человеку необходим отпуск Лень — не порок: несколько научных доказательств, почему человеку необходим отпуск

Как с точки зрения нейропсихологии на нас влияет отпуск

Forbes
Эмилия Спивак: «Мне очень везет на мужчин в кадре» Эмилия Спивак: «Мне очень везет на мужчин в кадре»

Эмилия Спивак рассказала о своей актерской карьере

Караван историй
В райском саду В райском саду

Дизайнер оформила эту московскую квартиру в стиле современной классики

SALON-Interior
Полёт Орла Полёт Орла

Пресса вообще ничего не писала о высадке Наполеона Бонапарта — из-за цензуры

Дилетант
Укус пчелы: как выглядит, чем опасен и как избежать Укус пчелы: как выглядит, чем опасен и как избежать

Укус пчелы — малоприятный опыт, а для некоторых — опасный. Как этого избежать?

РБК
Палеоклиматологи не разрешили людям пережить в Европе оледенение 1,1 миллиона лет назад Палеоклиматологи не разрешили людям пережить в Европе оледенение 1,1 миллиона лет назад

Палеоклиматологи исследовали керн донных отложений, извлеченный в Португалии

N+1
Крокодилов привлекли крики человеческих младенцев Крокодилов привлекли крики человеческих младенцев

Дети в состоянии стресса — легкая добыча для крокодилов

N+1
Слепое зрение: почему этот феномен так заинтересовал ученых Слепое зрение: почему этот феномен так заинтересовал ученых

Каково это — видеть, но не осознавать этого?

Psychologies
Сокровища Аграбы: 10 явлений, которые подарила нам арабская литература Сокровища Аграбы: 10 явлений, которые подарила нам арабская литература

Что еще, помимо лучшего друга Аладдина, пришло к нам из арабской культуры?

Правила жизни
Гармония гормонов Гармония гормонов

Женские гормоны, которые необходимо проверять каждый год

Лиза
Четыре секрета Google Chrome, о которых вы не знали Четыре секрета Google Chrome, о которых вы не знали

О многих функциях Chrome вы могли даже не подозревать

ТехИнсайдер
Почему привычная еда выглядит так, как она выглядит, и при чем тут дизайн Почему привычная еда выглядит так, как она выглядит, и при чем тут дизайн

Команда проекта A-House поразмышляла на тему сближения миров еды и дизайна

РБК
Драма на льду: фигуристка после страшного падения и трепанации рвется на Олимпиаду Драма на льду: фигуристка после страшного падения и трепанации рвется на Олимпиаду

В начале лета фигуристка Солен Мазинг сообщила, что получила сотрясение мозга

Forbes
Искусство быть круглым. Как Смешарики говорят с детьми на серьезные темы Искусство быть круглым. Как Смешарики говорят с детьми на серьезные темы

Какие философские идеи поднимают Смешарики

СНОБ
Открыть в приложении