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
Дошли до Волги Дошли до Волги

Как немецкие бюргеры оказались в Поволжье и что вышло из этой авантюры

Вокруг света
10 правил, которые могут спасти жизнь в походе, но при этом ими все пренебрегают 10 правил, которые могут спасти жизнь в походе, но при этом ими все пренебрегают

Даже опытные походники регулярно допускают эти ошибки

Maxim
Ингибиторы протонной помпы связали с повышенным риском инфекций у детей Ингибиторы протонной помпы связали с повышенным риском инфекций у детей

Прием ИПП связан с повышенным риском серьезных инфекций у маленьких детей

N+1
Сплетни или правдивые слухи: 5 неожиданных исторических фактов из гущи событий Российской империи Сплетни или правдивые слухи: 5 неожиданных исторических фактов из гущи событий Российской империи

Российская империя с XVIII и до начала XX века была полна слухов

ТехИнсайдер
Банан на скотче и рассол: как художники превращают еду в искусство Банан на скотче и рассол: как художники превращают еду в искусство

Художники осваивают еду как средство выражения своих идей

РБК
«После «Карнавальной ночи» — борьба, война, выживание, терпение... Какое уж тут счастье!» — рассказывала Людмила Гурченко «После «Карнавальной ночи» — борьба, война, выживание, терпение... Какое уж тут счастье!» — рассказывала Людмила Гурченко

В этих статьях — живая, настоящая, реальная Гурченко, какой ее знали не все

Коллекция. Караван историй
Тренер по тайм-менеджменту: эта техника поможет составить план идеальной рабочей недели Тренер по тайм-менеджменту: эта техника поможет составить план идеальной рабочей недели

Вам не хватает времени выполнить все важные дела на работе?

Inc.
Зачем миллиардер переливает себе кровь юношей: как узнать Зачем миллиардер переливает себе кровь юношей: как узнать

Говорят, что за деньги нельзя купить любовь. Но можно ли выиграть на них время?

ТехИнсайдер
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
Методом проб и ошибок Методом проб и ошибок

Раньше существовал стереотип, что коктейли не сочетаются с едой

Bones
Не всякой твари по паре: кто такие инцелы и почему их надо отменить Не всякой твари по паре: кто такие инцелы и почему их надо отменить

Какую философию продвигают инцелы?

Правила жизни
Токсичный коллектив: 4 признака коллег-абюзеров Токсичный коллектив: 4 признака коллег-абюзеров

Чувствуете себя некомфортно в рабочем коллективе?

Psychologies
«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
Имплант под воздействием тока вырабатывает инсулин. Предложен новый метод лечения диабета Имплант под воздействием тока вырабатывает инсулин. Предложен новый метод лечения диабета

Ученые создали искусственные человеческие клетки, способные вырабатывать инсулин

ТехИнсайдер
3 заповеди полезного завтрака 3 заповеди полезного завтрака

Диетолог делится советами, которые помогут начинать день правильно

Psychologies
Наивная роскошь. Зачем россияне смотрят турецкие сериалы Наивная роскошь. Зачем россияне смотрят турецкие сериалы

Почему интерес к турецким сериалам возрастает и зачем их вообще смотреть?

СНОБ
Остросюжетные триллеры и немного балета: пять новых сериалов, которые стоит увидеть Остросюжетные триллеры и немного балета: пять новых сериалов, которые стоит увидеть

На какие сериалы стоит обратить внимание?

Forbes
Театр одного Муссолини Театр одного Муссолини

Бенито Муссолини занял пост премьер-министра Италии после «похода на Рим»

Дилетант
Выборг, шхеры и Сестрорецк: гид по лучшим местам на Карельском перешейке Выборг, шхеры и Сестрорецк: гид по лучшим местам на Карельском перешейке

Карельский перешеек: что может предложить этот узкий участок земли?

Forbes
Юрий Симонов («Заточка»): «Лирический герой, от имени которого большинство историй рассказано, он, конечно, я» Юрий Симонов («Заточка»): «Лирический герой, от имени которого большинство историй рассказано, он, конечно, я»

Солист кантри-рэп группы «Заточка» о вселенной своих песен и отношении к деньгам

Maxim
Главные правила кухни Главные правила кухни

В любом проекте на кухню сначала набираются ключевые игроки

Bones
Робот учится так браться за инструмент, чтобы можно было его использовать Робот учится так браться за инструмент, чтобы можно было его использовать

Ученые улучшили способность роботизированной руки манипулировать объектами

ТехИнсайдер
Стереофотосъемка пещеры Ла-Пасьега выявила фигуративные рисунки среди нефигуративных Стереофотосъемка пещеры Ла-Пасьега выявила фигуративные рисунки среди нефигуративных

Ученые идентифицировали двух лошадей и одного тура на наскальных изображениях

N+1
Равные возможности Равные возможности

Red Azalea: катамаран с двигателем внутреннего сгорания

Y Magazine
Cимвол изобилия Cимвол изобилия

Для армян сладкий плов хапама – символ единства, плодородия и процветания

Вокруг света
Анализ писем графа Дракулы показал, что у него было заболевание, из-за которого он плакал кровью Анализ писем графа Дракулы показал, что у него было заболевание, из-за которого он плакал кровью

Правитель Валахии XV века Влад III (прототип графа Дракулы) мог плакать кровью

ТехИнсайдер
Птицы научились использовать лапы вместо рук благодаря древесному образу жизни предков Птицы научились использовать лапы вместо рук благодаря древесному образу жизни предков

Как некоторые птицы научились хватать добычу или подносить пищу к клюву?

N+1
От икон до военных мундиров: самые неожиданные коллекции, собранные спортсменами От икон до военных мундиров: самые неожиданные коллекции, собранные спортсменами

Forbes Sport представляет неординарные коллекции, собранные спортсменами

Forbes
Atomic Heart: эксклюзивный отрывок книги Atomic Heart: эксклюзивный отрывок книги

Узнайте «предысторию предприятия 3826»

Maxim
Открыть в приложении