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
Как государство присматривается к рынку игровых артефактов Как государство присматривается к рынку игровых артефактов

Росфинмониторинг и Минфин задумались о регулировании игровых валют

Forbes
Журнал Time составил список 100 лучших фильмов за последнии 100 лет Журнал Time составил список 100 лучших фильмов за последнии 100 лет

Самые знаковые фильмы, в которых «переплетаются мастерство и дух»

Правила жизни
Мифы о ножах, в которые мы верим благодаря фильмам Мифы о ножах, в которые мы верим благодаря фильмам

Почему нож нельзя метать и держать его в зубах?

Maxim
О вреде газлайтинга для газлайтера О вреде газлайтинга для газлайтера

«Только ты и я»: экранизация французского феминистского бестселлера

Weekend
Неслучайные случайности Светланы Степанковской Неслучайные случайности Светланы Степанковской

Светлана Степанковская — о неслучайных случайностях и поцелуе с Нагиевым

OK!
7 живописных малых городов России 7 живописных малых городов России

Если вы ищете провинциальный колорит, стоит включить эти города в свои маршруты

Караван историй
Психология смерти и технологии: сможет ли цифровой аватар заменить умершего Психология смерти и технологии: сможет ли цифровой аватар заменить умершего

Можно ли жить вечно?

Psychologies
Стрельцы: преступление и наказание Стрельцы: преступление и наказание

Стрелецкий бунт 1698 года: «усердие в усмирении» достигало высот заоблачных

Дилетант
Как выглядит древнейший человек, чей геном удалось секвенировать: 45 000 лет в пещере Как выглядит древнейший человек, чей геном удалось секвенировать: 45 000 лет в пещере

Исследователи создали приближенное изображение женщины возрастом 45 000 лет

ТехИнсайдер
«Счастье не за горами»: культурный гид по Перми «Счастье не за горами»: культурный гид по Перми

Что сегодня можно увидеть в Перми и в какие музеи ходить?

Forbes
Начальникам на заметку! Как вести себя с подчиненными, чтобы стимулировать персональный рост Начальникам на заметку! Как вести себя с подчиненными, чтобы стимулировать персональный рост

Существует ли универсальный способ для вдохновения других людей?

ТехИнсайдер
7 признаков, что на вас обиделись: некоторые из них вы бы и не заметили 7 признаков, что на вас обиделись: некоторые из них вы бы и не заметили

Мелкие обиды со временем способны накапливаться — особенно, если их не обсуждать

Psychologies
«Бомбардировка начнется через пять минут»: как Рейган почти развязал ядерную войну «Бомбардировка начнется через пять минут»: как Рейган почти развязал ядерную войну

11 августа 1984 года Рональд Рейган пошутил так, что чуть не развязал войну

Maxim
Почему привычная еда выглядит так, как она выглядит, и при чем тут дизайн Почему привычная еда выглядит так, как она выглядит, и при чем тут дизайн

Команда проекта A-House поразмышляла на тему сближения миров еды и дизайна

РБК
История советских «Луноходов»: один разбился, один замерз, один перегрелся История советских «Луноходов»: один разбился, один замерз, один перегрелся

Времена, когда слово «Луноход» с восхищением произносили во всех странах мира

Maxim
Семь раз и склей Семь раз и склей

«Семь лиц Джейн»: несовершенный, но любопытный альманах в жанре роуд-муви

Weekend
15 неприхотливых домашних растений, которые работают в квартире как фильтры воздуха и помогают дышать полной грудью 15 неприхотливых домашних растений, которые работают в квартире как фильтры воздуха и помогают дышать полной грудью

Узнай, что выращивать на подоконниках

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

Какова роль мужчины в воспитании детей?

Psychologies
«Душит ярость»: 6 способов успокоить нервы «Душит ярость»: 6 способов успокоить нервы

Психолог предлагает несколько шагов, которые помогут быстро успокоить ярость

Psychologies
Чтобы лучше видеть Чтобы лучше видеть

Как быстро снять усталость глаз и почему она возникает?

Лиза
Хакнуть 10-й уровень: как изменить «правила игры» и стать успешнее Хакнуть 10-й уровень: как изменить «правила игры» и стать успешнее

«Хакни сразу десятый уровень и не трать время на первые этапы

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
5 причин, почему фантастика Айзека Азимова остается актуальной и сегодня 5 причин, почему фантастика Айзека Азимова остается актуальной и сегодня

Произведения Айзека Азимова, которые нужно прочесть

Maxim
Динозавр съел баннер: 10 выдающихся рекламных кампаний голливудских фильмов Динозавр съел баннер: 10 выдающихся рекламных кампаний голливудских фильмов

Десять примеров выдающихся промокампаний по продвижению кино в Голливуде

Правила жизни
Теряете вещи и все забываете: 6 неочевидных признаков, которые выдают СДВГ Теряете вещи и все забываете: 6 неочевидных признаков, которые выдают СДВГ

Как может проявляться СДВГ у взрослых?

Psychologies
Фонды пополняются метрами Фонды пополняются метрами

Граждане распробовали ЗПИФы недвижимости

Деньги
«От вакансий руки опускаются»: как я полгода училась на тестировщика, а теперь не могу найти работу «От вакансий руки опускаются»: как я полгода училась на тестировщика, а теперь не могу найти работу

Легко ли сменить специальность?

VOICE
«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
20 причин, по которым другие вас ни в грош не ставят 20 причин, по которым другие вас ни в грош не ставят

Почему окружающие вас не ценят?

Psychologies
Открыть в приложении