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
Деньги Деньги

Откуда в Дубае деньги?

Правила жизни
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
Камеры стреляют водителям в спину: кого ждут штрафы после такой фиксации Камеры стреляют водителям в спину: кого ждут штрафы после такой фиксации

Операторы показали примеры штрафов ГИБДД с работающих в спину камер

РБК
Не до улыбки Не до улыбки

5 причин боли в лице от безобидных до крайне опасных

Лиза
Художник Никита Макаров: Мне захотелось выйти из плоскости полотна в объемный мир Художник Никита Макаров: Мне захотелось выйти из плоскости полотна в объемный мир

Никита Макаров работает над созданием мира, который населяют скульптуры

СНОБ
Карма существует! Карма существует!

Instasamka о том, почему боится гулять по Москве без охраны и о многом другом

ЖАРА Magazine
Повышение устойчивости к антибиотикам связали с загрязнением воздуха Повышение устойчивости к антибиотикам связали с загрязнением воздуха

Загрязнение воздуха значимо связано с устойчивостью патогенов к антибиотикам

N+1
Забыли вырезать: худшие ляпы в культовых фильмах — от «Гарри Поттера» до «Криминального чтива» Забыли вырезать: худшие ляпы в культовых фильмах — от «Гарри Поттера» до «Криминального чтива»

Рассказываем про дурацкие неточности в культовых фильмах

VOICE
Элизабет Кюблер-Росс, заглянувшая в лицо смерти Элизабет Кюблер-Росс, заглянувшая в лицо смерти

«Смерть — ключ к жизни»

Psychologies
Возбужденный кислород помог провести реакцию циклопропанирования Возбужденный кислород помог провести реакцию циклопропанирования

Химики обнаружили фотохимическую реакцию циклопропанирования

N+1
Личинки ос повредили сердца тараканам при первой возможности Личинки ос повредили сердца тараканам при первой возможности

Личинки ос съедают трахеи и сердца тараканов

N+1
Малышка Точный Выстрел: как Энни Оукли создала роту женщин-снайперов и покорила США Малышка Точный Выстрел: как Энни Оукли создала роту женщин-снайперов и покорила США

Как Энни Оукли вошла в историю

Forbes
Притвориться миллиардером: можно ли попасть в рейтинг Forbes без десятизначной суммы Притвориться миллиардером: можно ли попасть в рейтинг Forbes без десятизначной суммы

Келвин Ло годами отчаянно пытался выдавать себя за миллиардера-путешественника

Forbes
Что такое карвинг и как делают эту завивку Что такое карвинг и как делают эту завивку

В чем особенности карвинга, как его делают и на какой длине он выглядит лучше

РБК
Безусловная любовь: миф или реальность Безусловная любовь: миф или реальность

Гипнотерапевт раскрывает секреты безусловного принятия и любви

Psychologies
За полгода мошенники похитили у россиян более 1,3 млрд руб. через СБП За полгода мошенники похитили у россиян более 1,3 млрд руб. через СБП

За первое полугодие 2023 года мошенники украли у россиян более 1,3 млрд руб

Inc.
Кто такой Михаил Елизаров — автор «Библиотекаря» и впечатляющих песен Кто такой Михаил Елизаров — автор «Библиотекаря» и впечатляющих песен

Кто такой Михаил Елизаров?

Правила жизни
На море, в поход или в горы: какую аптечку взять в отпуск? На море, в поход или в горы: какую аптечку взять в отпуск?

На любом отдыхе нужно быть во всеоружии и заранее подготовить аптечку

Maxim
Абьюз со стороны свекрови: история семьи Мэттью МакКонахи и советы от психолога Абьюз со стороны свекрови: история семьи Мэттью МакКонахи и советы от психолога

Камила Алвес рассказала, что долгое время проходила испытания от мамы любимого

Psychologies
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
Мэри Робинетт Коваль: «Вычисляя звезды» Мэри Робинетт Коваль: «Вычисляя звезды»

Отрывок из фантастического романа Мэри Робинетт Коваль

СНОБ
Как построить счастливые отношения: 5 советов Как построить счастливые отношения: 5 советов

Как создать союз любящих и доверяющих друг другу людей?

Psychologies
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
Микроорганизмы разогрели Землю во время ледникового периода 300 миллионов лет назад Микроорганизмы разогрели Землю во время ледникового периода 300 миллионов лет назад

Быстрое потепление 304 млн лет назад произошло из-за большого количества метана

ТехИнсайдер
Аборт, потеря ребенка и три брака: личные драмы Ирины Мирошниченко Аборт, потеря ребенка и три брака: личные драмы Ирины Мирошниченко

Ирина Мирошниченко построила блистательную карьеру и выбрала одиночество

VOICE
Три банкета в день Три банкета в день

За год в ресторане Modus проходит больше тысячи банкетов

Bones
Малахитовая шкатулка Малахитовая шкатулка

Интерьер вдохновлен мечтой заказчиков увидеть дом в образе «малахитовой сказки»

SALON-Interior
Черниговская восьмёрка Черниговская восьмёрка

Бунт Черниговского полка — выступление декабристов в Киевской губернии

Дилетант
Рискованный шаг: почему повышения ставки ЦБ может быть мало для стабилизации рубля Рискованный шаг: почему повышения ставки ЦБ может быть мало для стабилизации рубля

Какие меры были бы более эффективными для стабилизации валютного рынка

Forbes
Открыть в приложении