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
Земля талантов Земля талантов

Самарский областной художественный музей входит в число крупнейших музеев России

Отдых в России
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
Тюнинг-комплект для BMW X7 M60i стоит как новый BMW 2-й серии Тюнинг-комплект для BMW X7 M60i стоит как новый BMW 2-й серии

Larte Design представила новый обвес из углеродного волокна для BMW X7

4x4 Club
Ирина Паутова Ирина Паутова

Ирина Паутова отвечает за тургеневские тяготы Зендеи и Кирана Калкина

Собака.ru
Что ждет мир после ядерной войны: какими будут реальные последствия атомной бомбардировки Что ждет мир после ядерной войны: какими будут реальные последствия атомной бомбардировки

Каким будет мир, покрытый радиоактивными осадками?

ТехИнсайдер
Мощный символ Мощный символ

Custom Line 140: совершенство, из которого ничего не требуется убирать

Y Magazine
Половина контента про пожилых в тиктоке показала их с негативной стороны Половина контента про пожилых в тиктоке показала их с негативной стороны

Зумеры высмеивают бумеров за их ценности и отношение к молодежи

N+1
Бокал за ужином не повредит: что такое высокофункциональный алкоголизм Бокал за ужином не повредит: что такое высокофункциональный алкоголизм

Что такое высокофункциональный алкоголизм и где его грань

Forbes
Карма существует! Карма существует!

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

ЖАРА Magazine
Как электричество «Москвича» действует на людей: тестируем на дорогах и не только Как электричество «Москвича» действует на людей: тестируем на дорогах и не только

«Москвич 3е» — яркий автомобиль, встреча с которым запомнится надолго

Maxim
Какую обрядовую выпечку готовили на Руси к праздникам? Какую обрядовую выпечку готовили на Руси к праздникам?

Какую особую выпечку славяне пекли к праздникам?

Культура.РФ
За туманом и за запахом тайги За туманом и за запахом тайги

Куда ездили отдыхать в СССР

Лиза
Что делать, если ты влюбилась в своего психотерапевта (или он в тебя) Что делать, если ты влюбилась в своего психотерапевта (или он в тебя)

Влюбленность – самый распространенный побочный эффект психотерапии

VOICE
Смерть любимого, потеря ребенка, вражда с Дарьей Мороз: сложная жизнь Виктории Исаковой Смерть любимого, потеря ребенка, вражда с Дарьей Мороз: сложная жизнь Виктории Исаковой

В жизни Виктории Исаковой были свои трагедии

VOICE
True crime: 5 книг о психологии преступников True crime: 5 книг о психологии преступников

5 документальных книг о маньяках, психологии убийц и изнанке работы полиции

ТехИнсайдер
«Губы трупа» и автозагар: самый неудачный макияж знаменитостей – от Селены Гомес до Памелы Андерсон «Губы трупа» и автозагар: самый неудачный макияж знаменитостей – от Селены Гомес до Памелы Андерсон

Примеры из нашей подборки доказывают: иногда и профессионалы макияжа ошибаются!

VOICE
Останки людей из Атапуэрки датировали эпохой раннего неолита Останки людей из Атапуэрки датировали эпохой раннего неолита

Ученые исследовали останки людей, найденные на памятнике Галерея-дель-Силекс

N+1
Правила, которые нужно соблюдать перед тренировкой Правила, которые нужно соблюдать перед тренировкой

5 рекомендаций, благодаря которым тренировки точно будут полезными

Maxim
Освободите Вилли: почему Вилли Вонка гораздо больше, чем все шутки о нем Освободите Вилли: почему Вилли Вонка гораздо больше, чем все шутки о нем

Рассказываем, чего ждать от «Вонки» с Тимоти Шаламе

Правила жизни
«Особняк на колесах»: как устроена жизнь внутри двухэтажного люкс-грузовика «Особняк на колесах»: как устроена жизнь внутри двухэтажного люкс-грузовика

Дом на колесах Elemment Palazzo Superior поразит самого привередливого туриста

ТехИнсайдер
Болливуд инвесторов: что происходит на фондовом рынке Индии и как на нем заработать Болливуд инвесторов: что происходит на фондовом рынке Индии и как на нем заработать

Чем индийская экономика привлекает инвесторов со всего мира

Forbes
Новая смена. 5 российских женщин-режиссеров, на которых стоит обратить внимание Новая смена. 5 российских женщин-режиссеров, на которых стоит обратить внимание

О Марии Лойтер и еще четырех многообещающих женщинах-режиссерах

СНОБ
Вынужденная посадка: изменят ли Рунет новые правила «приземления» Вынужденная посадка: изменят ли Рунет новые правила «приземления»

В конце июля утвердили изменения федеральных законов «Об информации» и «О связи»

Forbes
Как начать управлять своей жизнью: 5 правил Как начать управлять своей жизнью: 5 правил

Судьба предрешена? Но как тогда изменить свою жизнь?

Psychologies
Время жить Время жить

Квартира в Москве в духе интерьеров советской интеллигенции

SALON-Interior
В начале был громоотвод В начале был громоотвод

Люди всегда боялись грозы, сопровождаемой молниями. Кто подчинил их?

Дилетант
От страха до любви: как изменилось отношение учителей к ChatGPT От страха до любви: как изменилось отношение учителей к ChatGPT

Как ChatGPT сначала посеял панику в рядах преподавателей и учителей

Forbes
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
Эмоциональное выгорание: 5 признаков — проверьте себя Эмоциональное выгорание: 5 признаков — проверьте себя

Нет желания вставать на работу. Как понять, пора ли что-то менять в своей жизни?

Psychologies
Открыть в приложении