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
Дубайский связной Дубайский связной

«Правила жизни» поговорили с десятью россиянами, переехавшими в Дубай

Правила жизни
Масса за горизонтом событий Масса за горизонтом событий

О том, как удалось обнаружить и «взвесить» одну из сверхмассивных чёрных дыр

Наука и жизнь
Что такое клетчатка, в чем ее польза и почему она нужна для похудения Что такое клетчатка, в чем ее польза и почему она нужна для похудения

Как клетчатка влияет на человеческий организм?

РБК
К себе жестко: возможны ли достижения без усилий? К себе жестко: возможны ли достижения без усилий?

Насколько бережной следует быть к самой себе, чтобы остаться продуктивной?

VOICE
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
Какие новые инструменты использует ФНС для взыскания налогового долга Какие новые инструменты использует ФНС для взыскания налогового долга

ФНС все чаще использует новые инструменты в вопросах взыскания налоговых долгов

Forbes
Речь пациента после инсульта отражает адаптивную стратегию мозга Речь пациента после инсульта отражает адаптивную стратегию мозга

После инсульта мозг выстраивает особую адаптивную стратегию

ТехИнсайдер
Не до улыбки Не до улыбки

5 причин боли в лице от безобидных до крайне опасных

Лиза
Устаревшие правила, которые мешают построить гармоничные отношения с мужчиной Устаревшие правила, которые мешают построить гармоничные отношения с мужчиной

Почему установки времен наших бабушек больше неактуальны

VOICE
Что такое кэш и как его очистить? Просто о сложном Что такое кэш и как его очистить? Просто о сложном

Кэш: объясняем, что это такое и почему вы должны его чистить

CHIP
«Женщины для утешения»: как японская армия брала тысячи пленных в сексуальное рабство «Женщины для утешения»: как японская армия брала тысячи пленных в сексуальное рабство

С 1932-го по 1945 год более 200 000 женщин были обращены в сексуальное рабство

Forbes
«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
Неочевидный гид по Сочи: где остановиться и что посмотреть Неочевидный гид по Сочи: где остановиться и что посмотреть

Не самые очевидные развлечения в Сочи и окрестностях

Forbes
Что будет, если летом уснуть на голой земле Что будет, если летом уснуть на голой земле

Насколько опасно для особей нашего вида спать на земле летом

Maxim
«Пернатые многоженцы: Любовь, браки, измены и разводы в мире птиц» «Пернатые многоженцы: Любовь, браки, измены и разводы в мире птиц»

Как птицы сближаются и ухаживают друг за другом?

N+1
Ураган в детской Ураган в детской

Некоторые малыши гиперактивны, а это истощает детскую нервную систему

Лиза
Что собой представляет люксовый китайский микроавтобус Voyah Dream за 10 миллионов рублей Что собой представляет люксовый китайский микроавтобус Voyah Dream за 10 миллионов рублей

Voyah Dream — тестируем шикарный микроавтобус в Архангельской области

Maxim
У бабочек обнаружили пространственную память У бабочек обнаружили пространственную память

Бабочки геликонии запоминают расположение богатых пыльцой цветков

N+1
Все китайские производители смартфонов: кто есть кто Все китайские производители смартфонов: кто есть кто

Китайские производители смартфонов, которые бросают вызов "акулам" рынка

CHIP
«Мне нужно побыть одному»: как найти время для себя, если вы в отношениях «Мне нужно побыть одному»: как найти время для себя, если вы в отношениях

Как не потерять индивидуальность в отношениях и выкроить время для себя

Psychologies
Травы и специи могут сделать вкусную вредную пищу более полезной Травы и специи могут сделать вкусную вредную пищу более полезной

Как сделать вкусную еду менее вредной?

ТехИнсайдер
Жившие на Днепре 6200 лет назад люди оказались автохтонами с 4400-летним стажем Жившие на Днепре 6200 лет назад люди оказались автохтонами с 4400-летним стажем

Палеогенетики проанализировали ДНК 56 человек, живших на Днепре 6200 лет назад

N+1
Кто соберет дары леса Кто соберет дары леса

Развитию рынка дикоросов могут способствовать новые меры господдержки

Агроинвестор
Уравнение спасения Уравнение спасения

Виноват ли выживший — и другие вопросы войны в фильме «Спасти рядового Райана»

Weekend
Почему пикап GWM Poer KingKong — последний настоящий мужской автомобиль Почему пикап GWM Poer KingKong — последний настоящий мужской автомобиль

Огромный дизельный пикап — оплот настоящего в нашем цифровом мире

Maxim
Беспилотник научили парить почти без затрат энергии Беспилотник научили парить почти без затрат энергии

Система управления беспилотника находит оптимальные точки в воздушных потоках

N+1
Корзины для яиц Корзины для яиц

Как Гарри Марковиц изобрел инвестиционный портфель

Деньги
Успокойся: как научиться контролировать страх и тревогу Успокойся: как научиться контролировать страх и тревогу

Как не поддаваться разрушительным эмоциям?

Правила жизни
Из грязи в… грязи Из грязи в… грязи

Подборка мототехники для активного отдыха

Y Magazine
Открыть в приложении