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
5 способов справиться с отказом и стать сильнее 5 способов справиться с отказом и стать сильнее

Можно ли взглянуть на отказ как на полезный, а не травмирующий опыт?

Psychologies
Как появилась традиция кричать молодоженам «Горько!»? Как появилась традиция кричать молодоженам «Горько!»?

Разбираемся в славянских брачных обрядах

Культура.РФ
10 самых уродливых автомобилей в истории. Обновлённая версия 10 самых уродливых автомобилей в истории. Обновлённая версия

Увы, не все покидающие конвейер машины, становятся впоследствии супермоделями

4x4 Club
Водный мир Водный мир

Черногория, которая каждого наградит развлечениями на любой вкус

Y Magazine
Что такое сексуальная отзывчивость и как она влияет на интимную жизнь Что такое сексуальная отзывчивость и как она влияет на интимную жизнь

Чем больше партнеры думают друг о друге во время секса, тем он лучше

Maxim
Пришло время поговорить. Как понять и поддержать подростка Пришло время поговорить. Как понять и поддержать подростка

Что нужно сделать матери, которая хочет выслушать своего ребенка

СНОБ
«Я будто умираю»: Татьяна Титова рассказала о роковом предсказании Веры Васильевой «Я будто умираю»: Татьяна Титова рассказала о роковом предсказании Веры Васильевой

Вера Васильева предчувствовала свой уход из жизни

VOICE
Ожирение ухудшает ассоциативное мышление у человека Ожирение ухудшает ассоциативное мышление у человека

У людей, страдающих ожирением, ухудшается ассоциативное мышление

ТехИнсайдер
Правда ли, что в Древнем Египте братья брали в жены сестер: тонкости внутрисемейного брака Правда ли, что в Древнем Египте братья брали в жены сестер: тонкости внутрисемейного брака

Насколько распространены были браки внутри королевских семей Древнего Египта?

ТехИнсайдер
10% рабочей силы: сложно ли получить кредит самозанятому 10% рабочей силы: сложно ли получить кредит самозанятому

Банкам придется активнее работать с самозанятыми и давать им кредиты

Forbes
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
Альтернативное решение Альтернативное решение

Как лечат пиявки и нужна ли вообще такая терапия

Лиза
Лаконичность и минимализм Лаконичность и минимализм

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

Bones
Что стоит обсудить перед свадьбой: 9 вопросов Что стоит обсудить перед свадьбой: 9 вопросов

Чем раньше обсудите сложные темы, тем больше шансов на успех будет у союза

Psychologies
Срубить и закопать: как американский стартап «хоронит» деревья ради спасения планеты Срубить и закопать: как американский стартап «хоронит» деревья ради спасения планеты

Зачем стартап Kodama Systems вырубает деревья?

Forbes
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
«Пришёл дать вам волю» «Пришёл дать вам волю»

30 августа 2022 года ушёл из жизни Михаил Сергеевич Горбачёв. Вспоминаем

Дилетант
Самая нетипичная футбольная звезда: Буффон прощается с футболом в 45 лет Самая нетипичная футбольная звезда: Буффон прощается с футболом в 45 лет

Удивительные истории из жизни итальянского Супермена

Forbes
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
Большинство мужчин тшинецкого культурного круга унаследовали Y-хромосому от европейских охотников-собиратей Большинство мужчин тшинецкого культурного круга унаследовали Y-хромосому от европейских охотников-собиратей

Для общин тшинецкого культурного круга была характерна патрилокальность

N+1
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
Супер в формате «Миди» Супер в формате «Миди»

Яхта Midi Ilumen M35 — самый впечатляющий подарок тому, у кого все есть

Y Magazine
Нейробиологи нашли механизм мозга, управляющий концентрацией внимания Нейробиологи нашли механизм мозга, управляющий концентрацией внимания

Основную роль в концентрации внимания играет скоординированная активность

ТехИнсайдер
В ожидании роста В ожидании роста

Международные инвесторы продолжают активно увеличивать вложения в акции

Деньги
За последние 40 лет вокруг Китая стало в восемь раз больше бедных кислородом вод За последние 40 лет вокруг Китая стало в восемь раз больше бедных кислородом вод

Почему есть высокие риски утраты биоразнообразия для местных морских экосистем

N+1
«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
Семь фактов про радиоактивную воду с Фукусимы Семь фактов про радиоактивную воду с Фукусимы

Японцы сливают радиоактивную воду с Фукусимы прямо в Тихий океан. Опасно ли это?

Maxim
«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
Аляскинские волки пристрастились к охоте на каланов Аляскинские волки пристрастились к охоте на каланов

Волки из Катмай на юго-западе Аляски регулярно охотятся на каланов

N+1
Открыть в приложении