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
Инвестпроекты снимают с паузы Инвестпроекты снимают с паузы

АПК остается привлекательным для вложений, несмотря на трудности

Агроинвестор
Как занимать новые ниши на развитом рынке Дубая: опыт Yalla!Market Как занимать новые ниши на развитом рынке Дубая: опыт Yalla!Market

Как основатели Yalla!Market развивали бизнес в Дубае

Правила жизни
В июле глобальная температура была на 1,5℃ выше доиндустриальной. Глобальное потепление становится реальностью В июле глобальная температура была на 1,5℃ выше доиндустриальной. Глобальное потепление становится реальностью

Глобальная температура июля является самой высокой за всю историю

ТехИнсайдер
Глава из книги Александра Кушнира «Аквариум: геометрия хаоса» к юбилею группы Глава из книги Александра Кушнира «Аквариум: геометрия хаоса» к юбилею группы

Книга продюсера Александра Кушнира об истории и творчестве  «Аквариума»

Правила жизни
ИИ нашел неандертальский белок, который может стать источником новых антибиотиков ИИ нашел неандертальский белок, который может стать источником новых антибиотиков

«Воскрешенные» молекулы могут послужить источником новых лекарств

ТехИнсайдер
«Я всегда прихожу заранее»: как избавиться от этой привычки «Я всегда прихожу заранее»: как избавиться от этой привычки

Некоторые чувствуют себя обязанными всегда приходить заблаговременно

Psychologies
Опять за старое: что собой представляет вторичный рынок одежды и почему он важен именно сейчас Опять за старое: что собой представляет вторичный рынок одежды и почему он важен именно сейчас

Чем отличается ресейл от секонд-хенда, а архив — от винтажа

Правила жизни
Где родился, там и пригодился: хорошая ли идея, долгое время работать в одной компании? Где родился, там и пригодился: хорошая ли идея, долгое время работать в одной компании?

Однако можно ли считать 10 лет в одной компании большим опытом?

ТехИнсайдер
12 фильмов Венецианского кинофестиваля 12 фильмов Венецианского кинофестиваля

Старейший в мире Венецианский кинофестиваль в этом году проводится в 80-й раз

Weekend
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
Персональный подход Персональный подход

Как складывалась команда ресторана Modus

Bones
Что такое безглютеновый хлеб и почему он полезен далеко не всем Что такое безглютеновый хлеб и почему он полезен далеко не всем

Есть ли спрос на безглютеновый хлеб и что это ― панацея или новый тренд

РБК
Женщины Оппенгеймера: реальные судьбы героинь, которых сыграли Флоренс Пью и Эмили Блант Женщины Оппенгеймера: реальные судьбы героинь, которых сыграли Флоренс Пью и Эмили Блант

Какими были в реальной жизни женщины Оппенгеймера

VOICE
Путь к излечению: как формируется и проявляется самокритика Путь к излечению: как формируется и проявляется самокритика

Действительно ли суровый внутренний критик делает нас лучше? Или все-таки нет?

Psychologies
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
Всё о выработке и приеме коллагена: большой экспертный гид Всё о выработке и приеме коллагена: большой экспертный гид

Коллаген: обязательный пункт в "бьюти-меню"

VOICE
«Очаровал меня и всю мою семью»: каково это — выйти замуж за иностранца и переехать в Иран «Очаровал меня и всю мою семью»: каково это — выйти замуж за иностранца и переехать в Иран

Героиня истории рассказала, как вышла замуж за иранца и переехала на его родину

Psychologies
Сто тысяч дрозофил не почувствовали магнитного поля Сто тысяч дрозофил не почувствовали магнитного поля

Почему изучать магниторецепцию на дрозофилах не получится

N+1
Падшие кумиры: в чем сотрудники обвиняли Lizzo, Эллен Дедженерес и других звезд Падшие кумиры: в чем сотрудники обвиняли Lizzo, Эллен Дедженерес и других звезд

Знаменитости и люди искусства, которых обвиняли в плохом отношении к сотрудинкам

Forbes
Ученые из Гарварда выяснили, чем опасен «социальный джетлаг» для здоровья Ученые из Гарварда выяснили, чем опасен «социальный джетлаг» для здоровья

«Социальный джетлаг» приводит к ухудшению питания и заболеваниям кишечника

Inc.
За туманом и за запахом тайги За туманом и за запахом тайги

Куда ездили отдыхать в СССР

Лиза
Почти сорокалетняя Toyota Land Cruiser 70-й серии выйдет с обновлённым дизайном и новым турбодизелем Почти сорокалетняя Toyota Land Cruiser 70-й серии выйдет с обновлённым дизайном и новым турбодизелем

Четвёртый рестайлинг классической 70-й серии, который возвращается в Японию

4x4 Club
«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
6 способов справляться с тревожными мыслями, которые крутятся в голове и мешают жить 6 способов справляться с тревожными мыслями, которые крутятся в голове и мешают жить

Как разорвать порочный круг тревоги и вырваться из бесконтрольного потока мыслей

Psychologies
Как расширить память смартфона на Android Как расширить память смартфона на Android

Есть различные способы увеличить объем доступной в смартфоне памяти

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
Квартиры не отдаются Квартиры не отдаются

Доступность жилья в России снизилась до уровня десятилетней давности

Деньги
Как сохранить романтику в браке: 4 секрета счастливых пар Как сохранить романтику в браке: 4 секрета счастливых пар

Как пронести любовь и увлеченность друг другом через житейские бури и рутину?

Psychologies
Новая Toyota Land Cruiser возвращается к своим внедорожным корням Новая Toyota Land Cruiser возвращается к своим внедорожным корням

Новая Toyota Land Cruiser — ретро-дизайн и мощный двигатель

4x4 Club
Открыть в приложении