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
Киригами-манипулятор поднимет груз в 16000 раз тяжелее себя Киригами-манипулятор поднимет груз в 16000 раз тяжелее себя

Американские инженеры создали простой и недорогой киригами-манипулятор

N+1
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
Как спрятать нависшее веко под наращиванием: этот эффект лучше всего замаскирует проблему Как спрятать нависшее веко под наращиванием: этот эффект лучше всего замаскирует проблему

Как скорректировать нависшее веко с помощью наращивания? Рассказывает эксперт

VOICE
Главные правила кухни Главные правила кухни

В любом проекте на кухню сначала набираются ключевые игроки

Bones
Планы на будущее Планы на будущее

Детские комнаты создаются на вырост: с помощью дизайна они развлекают

SALON-Interior
Время жить Время жить

Квартира в Москве в духе интерьеров советской интеллигенции

SALON-Interior
Кинофраншизы, в которых изящно закрыли сюжетные дыры Кинофраншизы, в которых изящно закрыли сюжетные дыры

Иногда Голливуд исправляет ошибки в своих фильмах! Вот примеры

Maxim
Устаревшие правила, которые мешают построить гармоничные отношения с мужчиной Устаревшие правила, которые мешают построить гармоничные отношения с мужчиной

Почему установки времен наших бабушек больше неактуальны

VOICE
Прекрасная страна. История эмиграции из-за политического преследования в Китае Прекрасная страна. История эмиграции из-за политического преследования в Китае

Книга о семье, которой пришлось переехать из-за политического преследования

СНОБ
Неотъемлемая часть киносеанса: откуда взялась традиция есть попкорн за просмотром фильма в кинотеатре Неотъемлемая часть киносеанса: откуда взялась традиция есть попкорн за просмотром фильма в кинотеатре

Раньше попкорн в кинотеатрах вообще был под строжайшим запретом

ТехИнсайдер
Кадровый голод Кадровый голод

Нехватка персонала — вечная проблема ресторанной индустрии

Bones
Берегись инфоцыган Берегись инфоцыган

Как выбрать онлайн-курсы, защититься от инфоцыган и не потерять деньги

Лиза
Социолог нашел подтверждение теории бредовых работ Социолог нашел подтверждение теории бредовых работ

Обладатели этих профессий ощущают бесполезность своей работы

N+1
«Я падала в обморок, когда весила 45 кг»: Алена Шишкова призналась, что страдала от булимии и анорексии «Я падала в обморок, когда весила 45 кг»: Алена Шишкова призналась, что страдала от булимии и анорексии

Модель Алена Шишкова впервые откровенно рассказала о проблемах со здоровьем

VOICE
«Надо спросить психолога»: как и почему формируется зависимость от психотерапии «Надо спросить психолога»: как и почему формируется зависимость от психотерапии

По каким симптомам можно распознать зависимость от психотерапии?

Psychologies
Во взрывных извержениях внутриплитного вулкана Фогу обвинили углекислый газ Во взрывных извержениях внутриплитного вулкана Фогу обвинили углекислый газ

В продуктах извержения вулкана Фогу найдено большое содержание углекислого газа

N+1
Восстановить мужские ориентиры Восстановить мужские ориентиры

Молодые пары сегодня все реже следуют традиционному распределению ролей

Psychologies
Vigilante Cherokee S 77. Мечта фанатов Jeep Vigilante Cherokee S 77. Мечта фанатов Jeep

Этот рестомод от Vigilante 4х4 находиться на вершине пьедестала

4x4 Club
Освободите Вилли: почему Вилли Вонка гораздо больше, чем все шутки о нем Освободите Вилли: почему Вилли Вонка гораздо больше, чем все шутки о нем

Рассказываем, чего ждать от «Вонки» с Тимоти Шаламе

Правила жизни
За полгода мошенники похитили у россиян более 1,3 млрд руб. через СБП За полгода мошенники похитили у россиян более 1,3 млрд руб. через СБП

За первое полугодие 2023 года мошенники украли у россиян более 1,3 млрд руб

Inc.
«Я просто ненавижу понедельники»: история Бренды Спенсер, которая устроила стрельбу в школе «Я просто ненавижу понедельники»: история Бренды Спенсер, которая устроила стрельбу в школе

Бренда Спенсер стала первой девочкой в США, которая начала стрельбу в школе

VOICE
«Без обид»: как новый фильм с Дженнифер Лоуренс меняет восприятие женского тела «Без обид»: как новый фильм с Дженнифер Лоуренс меняет восприятие женского тела

В фильме «Без обид» Дженнифер Лоуренс демонстрирует все грани своего таланта

Forbes
Трагические события: как они влияют на психику и что помогает их пережить — 3 практики Трагические события: как они влияют на психику и что помогает их пережить — 3 практики

Что отличает травматичные и стрессовые ситуации? Как они влияют на нас?

Psychologies
Мэри Робинетт Коваль: «Вычисляя звезды» Мэри Робинетт Коваль: «Вычисляя звезды»

Отрывок из фантастического романа Мэри Робинетт Коваль

СНОБ
Москва и москвички Москва и москвички

«Жизнь по вызову. Док»: якобы исследование столичной секс-индустрии

Weekend
Самые глубокие цитаты великих писателей о пьянстве Самые глубокие цитаты великих писателей о пьянстве

Многие великие литераторы знали толк в процессе употребления алкоголя

Maxim
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
Не до улыбки Не до улыбки

5 причин боли в лице от безобидных до крайне опасных

Лиза
Можно ли плакать на работе: влияние и последствия Можно ли плакать на работе: влияние и последствия

Дать волю эмоциям и расплакаться на глазах у всех: всегда ли это плохо?

Psychologies
Открыть в приложении