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
Нравиться всем или себе? Находим золотую середину Нравиться всем или себе? Находим золотую середину

Как здраво оценивать себя?

VOICE
Узнайте о рутине императора Адриана! Найдены мраморные таблички о жизни правителя Узнайте о рутине императора Адриана! Найдены мраморные таблички о жизни правителя

Каким был быт «милосердного диктатора» Адриана?

ТехИнсайдер
«Город дам»: как были устроены женские коммуны в средневековой Европе «Город дам»: как были устроены женские коммуны в средневековой Европе

Глава из книги «Архитектура без архитектора»

Forbes
«Добывая «Биркин»: кто такой Майкл Тонелло и как он сделал себе имя на охоте за сумками Hermès «Добывая «Биркин»: кто такой Майкл Тонелло и как он сделал себе имя на охоте за сумками Hermès

Как Майкл Тонелло «хакнул» строгую систему вишлистов Hermès

Правила жизни
Без FIFA, но с футболистками: чего ждать от нового футбольного симулятора Без FIFA, но с футболистками: чего ждать от нового футбольного симулятора

Почему Electronic Arts и FIFA разорвали отношения спустя 30 лет сотрудничества?

Forbes
Почему медиаспорт в России стал популярным Почему медиаспорт в России стал популярным

В России активно развивается медиаспорт — непрофессиональные соревнования

СНОБ
5 советских игрушек, которые были только в зажиточных семьях 5 советских игрушек, которые были только в зажиточных семьях

Рассказываем, какими были модные дорогие игрушки в СССР

Psychologies
11 важных дат из истории Sukhoi Superjet 11 важных дат из истории Sukhoi Superjet

Sukhoi Superjet: история в датах

Maxim
Свеклосахарный оптимизм Свеклосахарный оптимизм

Производство сахара и доходность в сезоне 2023/24 могут быть на высоких уровнях

Агроинвестор
Наталья Илишкина: «Улан Далай. Степная сага» Наталья Илишкина: «Улан Далай. Степная сага»

Достоверный и бережный текст Натальи Илишкиной вышел в серии «Большая проза»

СНОБ
Дневник суперженщины Дневник суперженщины

Анна Хилькевич о честных слезах, блогерстве, открытии детского сада

OK!
Ракушки помогут раскрыть загадку исчезновения малазийского «Боинга» Ракушки помогут раскрыть загадку исчезновения малазийского «Боинга»

Недавно ученый предложил оригинальный способ обнаружить место крушения самолета

ТехИнсайдер
«Каждый день – новая мечта» «Каждый день – новая мечта»

Графику десятилетней Евы Смирновой могут удивиться даже самые занятые взрослые

OK!
Снять сливы Снять сливы

Сочные, полные витаминов сливы – любовь кулинаров всего мира

Лиза
В могиле древнекитайской простолюдинки нашли косметику В могиле древнекитайской простолюдинки нашли косметику

Ученые исследовали остатки косметики, найденные в могиле простолюдинки

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
5 неочевидных причин, вызывающих проблемы с эрекцией 5 неочевидных причин, вызывающих проблемы с эрекцией

Факторы, которые могут влиять на эрекцию

Maxim
Как выбрать арбуз и дыню? Как выбрать арбуз и дыню?

Одним нравится арбуз, другим дыня. Для всех они — олицетворение прекрасного лета

Psychologies
«Бочкарёвские дуры» в Зимнем «Бочкарёвские дуры» в Зимнем

Живучи домыслы о женском батальоне, который защищал Зимний дворец в 1917 году

Дилетант
Живем ли мы в разных Россиях: как различаются возможности женщин в регионах Живем ли мы в разных Россиях: как различаются возможности женщин в регионах

Регионы отличаются друг от друга, и женщины в них живут по-разному

Forbes
Как продлить любовь: 6 научно доказанных советов Как продлить любовь: 6 научно доказанных советов

Как сделать любовные отношения счастливыми и долговечными?

Psychologies
Изучаем Россию: куда отправиться в поисках новых впечатлений Изучаем Россию: куда отправиться в поисках новых впечатлений

Нетривиальные локаций России, где можно сблизиться с дикой природой и отдохнуть

СНОБ
Сто тысяч дрозофил не почувствовали магнитного поля Сто тысяч дрозофил не почувствовали магнитного поля

Почему изучать магниторецепцию на дрозофилах не получится

N+1
Звезды из Европы и отсутствие офсайдных линий: как устроено судейство в РПЛ Звезды из Европы и отсутствие офсайдных линий: как устроено судейство в РПЛ

Что сейчас происходит с судейством в РПЛ?

Forbes
Исполнение и наказание Исполнение и наказание

Как Роберт Де Ниро и Мартин Скорсезе исследовали насилие, вину и бессилие

Weekend
В палеофекалиях древних добытчиков соли нашли яйца гельминтов В палеофекалиях древних добытчиков соли нашли яйца гельминтов

Палеопаразитологи исследовали 35 палеофекалий XII–VII веков до нашей эры

N+1
«Двенадцать месяцев», «Простоквашино» и «Карлсон»: 20 главных советских мультфильмов «Двенадцать месяцев», «Простоквашино» и «Карлсон»: 20 главных советских мультфильмов

Золотая коллекция советских мультфильмов, которые обязательны к просмотру

Forbes
Я же тебе говорила! Я же тебе говорила!

Фразы в воспитании, от которых вреда больше, чем пользы

Лиза
Я — сноб. Куратор Фонда поддержки современного искусства Cosmoscow Алексей Масляев Я — сноб. Куратор Фонда поддержки современного искусства Cosmoscow Алексей Масляев

О ближайших интересных выставках в России и особенностях работы в искусстве

СНОБ
Открыть в приложении