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
Самораскрытие: когда стоит и не стоит делиться с собеседником своим опытом и переживаниями Самораскрытие: когда стоит и не стоит делиться с собеседником своим опытом и переживаниями

Что такое самораскрытие и почему эта наклонность многих раздражает?

Psychologies
«Подростки — это мощная сила, которая способна изменить мир». Эксперты продюсерского центра «Вдохновители» о том, как создавать социально значимый контент «Подростки — это мощная сила, которая способна изменить мир». Эксперты продюсерского центра «Вдохновители» о том, как создавать социально значимый контент

Что такое социально преобразующий контент и почему он прибылен для бизнеса

СНОБ
Работа под угрозой Работа под угрозой

5 ошибок в деловой переписке, которые могут привести к увольнению

Лиза
Ученые Tinkoff Research вывели робота на правильную и безопасную дорогу Ученые Tinkoff Research вывели робота на правильную и безопасную дорогу

Новый метод обучения поможет роботам исследовать неизвестный окружающий мир

ТехИнсайдер
Реинкарнация Реинкарнация

Разглядываем тело и душу моторной яхты Fairline Squadron 58

Y Magazine
Король-крыса. Как жил и побеждал гонщик Ники Лауда Король-крыса. Как жил и побеждал гонщик Ники Лауда

Ники Лауда: обменять богатство на острые ощущения и поставить на кон жизнь

РБК
2 эффективных способа защитить свои личные границы 2 эффективных способа защитить свои личные границы

Как сохранить уважение друг к другу и при этом не наступать на горло самому cебе

Psychologies
Пираты, комиксы и звездные войны: самые дорогие фильмы всех времен Пираты, комиксы и звездные войны: самые дорогие фильмы всех времен

Десятка самых дорогих когда-либо существовавших фильмов — в нашем материале

Forbes
Архетип Кена: что можно узнать о мужской психологии из фильма «Барби» Архетип Кена: что можно узнать о мужской психологии из фильма «Барби»

То, каким его показали, многое говорит о психологии реальных Кенов — мужчин

Psychologies
Тогда и сейчас: что стало с актерами фильма «Мост в Терабитию» 16 лет спустя Тогда и сейчас: что стало с актерами фильма «Мост в Терабитию» 16 лет спустя

Интересно посмотреть, как актеры «Моста в Терабитию» выглядят сейчас?

VOICE
Наполнен кубок через край. О чем и как писал Дмитрий Мережковский Наполнен кубок через край. О чем и как писал Дмитрий Мережковский

Как поэт Дмитрий Мережковский стал писать историческую прозу

СНОБ
7 суперспособностей человеческого организма 7 суперспособностей человеческого организма

На что способно наше тело, чтобы продлить молодость внутри и снаружи

Maxim
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
10 вещей, которых вы не поймете, если не жили в коммуналке 10 вещей, которых вы не поймете, если не жили в коммуналке

10 самых странных вещей, с которыми приходилось сталкиваться в коммуналке

Psychologies
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
Фильмы и сериалы, снятые в Петербурге и окрестностях: от «Замаячного» до «Серебряных коньков» Фильмы и сериалы, снятые в Петербурге и окрестностях: от «Замаячного» до «Серебряных коньков»

Питер и Ленинградская область на глазах превращаются в российский Голливуд

Maxim
Альтернатива совершившемуся Альтернатива совершившемуся

Как проект города коммунизма превратился в утопию уместности

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
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
Врач, медсестра или эстетист: как выбрать подходящего косметолога Врач, медсестра или эстетист: как выбрать подходящего косметолога

Что отличает косметологов и с какими запросами они в силах справиться

Psychologies
Лучшие друзья — это репликанты: 10 фильмов об отношениях людей с роботами Лучшие друзья — это репликанты: 10 фильмов об отношениях людей с роботами

Мы собрали 10 фильмов об отношениях людей с ИИ

Правила жизни
Восстановить мужские ориентиры Восстановить мужские ориентиры

Молодые пары сегодня все реже следуют традиционному распределению ролей

Psychologies
В начале был громоотвод В начале был громоотвод

Люди всегда боялись грозы, сопровождаемой молниями. Кто подчинил их?

Дилетант
Опосредованные углеродные выбросы мясоедов превзошли выбросы веганов в три раза Опосредованные углеродные выбросы мясоедов превзошли выбросы веганов в три раза

Если сократить потребление мяса, то можно снизить выбросы углекислого газа

N+1
Москва и москвички Москва и москвички

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

Weekend
Ад оказался ближе центра Земли: какую загадку хранит 12-километровая Кольская сверхглубокая скважина Ад оказался ближе центра Земли: какую загадку хранит 12-километровая Кольская сверхглубокая скважина

Сверхглубокую Кольскую скважину начали бурить в 1970-е годы... что там нашли?

ТехИнсайдер
Управляющие отчитались о росте Управляющие отчитались о росте

Самые успешные инвестиции середины лета

Деньги
«Пап, а ты когда придешь?» «Пап, а ты когда придешь?»

Какова роль мужчины в воспитании детей?

Psychologies
«Тампон почти убил меня»! Как модель потеряли ноги из-за синдрома токсического шока «Тампон почти убил меня»! Как модель потеряли ноги из-за синдрома токсического шока

Средства интимной гигиены сделали молодую девушки инвалидом

ТехИнсайдер
Открыть в приложении