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
«Ты — мое все»: 5 фильмов про одержимость любовью «Ты — мое все»: 5 фильмов про одержимость любовью

Как проявляется одержимая любовь?

Psychologies
Скрытые причины усталости Скрытые причины усталости

Вечно чувствуешь себя усталой? Это может быть симптомом болезни

Лиза
Проклятие «Моей прекрасной няни»: эта трагедия объединила судьбы главных актрис — Анастасии Заворотнюк и Фрэн Дрешер Проклятие «Моей прекрасной няни»: эта трагедия объединила судьбы главных актрис — Анастасии Заворотнюк и Фрэн Дрешер

В судьбах актрис, сыгравших роли «Моей прекрасной няни», есть роковые совпадения

VOICE
Безумно щедр и очень заботлив: как распознать потенциального абьюзера Безумно щедр и очень заботлив: как распознать потенциального абьюзера

Глава из книги «Почему он делает это? Кто такой абьюзер и как ему противостоять»

Forbes
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
Что делать со старым ненужным смартфоном: 10 сценариев использования Что делать со старым ненужным смартфоном: 10 сценариев использования

Если вы поменяли смартфон, не спешите выбрасывать старый

CHIP
Смотри оба: исторические примеры «Барбигеймера» в кино Смотри оба: исторические примеры «Барбигеймера» в кино

Культовые фильмы, которые были выпущены в один день

Правила жизни
Малоизвестные детали спортивной карьеры Джейсона Стейтема: ездил в Москву, мечтал об Олимпиаде Малоизвестные детали спортивной карьеры Джейсона Стейтема: ездил в Москву, мечтал об Олимпиаде

Автор множества выдуманных цитат был вполне реальным прыгуном в воду

Maxim
5 типов конфликтных людей — проверьте себя и близких 5 типов конфликтных людей — проверьте себя и близких

Как распознать конфликтного человека, чтобы избежать общения с ним?

Psychologies
Выбор принцессы: солнцезащитные очки, как у принцессы Дианы - 8 стильных моделей Выбор принцессы: солнцезащитные очки, как у принцессы Дианы - 8 стильных моделей

Хочешь выглядеть, как королевская особа – учись у настоящей принцессы

VOICE
Королева и режиссер: история любви и творчества Глеба Панфилова и Инны Чуриковой Королева и режиссер: история любви и творчества Глеба Панфилова и Инны Чуриковой

Панфилов и Чурикова: они познакомились на съемках и прожили вместе более 50 лет

Forbes
Техношея Техношея

Почему нам всем грозит tech neck и как защитить свою шею от колец Венеры?

Собака.ru
Трудно быть супергероиней: почему женщинам-лидерам полезно проявлять уязвимость Трудно быть супергероиней: почему женщинам-лидерам полезно проявлять уязвимость

Почему трудно быть супергероем, а супергероиней — особенно.

Forbes
Почти не сопротивлялся Почти не сопротивлялся

Как открыли и закрыли потенциальный сверхпроводник LK-99

N+1
Повод для праздника: как в обществе меняется отношение к разводам Повод для праздника: как в обществе меняется отношение к разводам

Как менялось отношение к расторжению брака и как его воспринимают сейчас

Forbes
Современный паноптикон: как Китай построил полицейское государство с помощью IT Современный паноптикон: как Китай построил полицейское государство с помощью IT

В Синьцзян-Уйгурском районе: современная антиутопия под постоянным наблюдением

Forbes
Самомассаж при стрессе Самомассаж при стрессе

5 самых эффективных техник самомассажа

Лиза
«Любовь невозможна без боли»: зачем сталкиваться с фрустрацией в отношениях «Любовь невозможна без боли»: зачем сталкиваться с фрустрацией в отношениях

Мы все мечтаем о любви, но мало кто может ее вынести и сохранить. Почему?

Psychologies
Методом проб и ошибок Методом проб и ошибок

Раньше существовал стереотип, что коктейли не сочетаются с едой

Bones
Лень — не порок: несколько научных доказательств, почему человеку необходим отпуск Лень — не порок: несколько научных доказательств, почему человеку необходим отпуск

Как с точки зрения нейропсихологии на нас влияет отпуск

Forbes
Самые жуткие фильмы про катакомбы, подземелья и диггеров Самые жуткие фильмы про катакомбы, подземелья и диггеров

Триллеры и хорроры для тех, кто кому боязни замкнутых пространств недостаточно

Maxim
Дошли до Волги Дошли до Волги

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

Вокруг света
Большинство мужчин тшинецкого культурного круга унаследовали Y-хромосому от европейских охотников-собиратей Большинство мужчин тшинецкого культурного круга унаследовали Y-хромосому от европейских охотников-собиратей

Для общин тшинецкого культурного круга была характерна патрилокальность

N+1
Почти как там Почти как там

Каких продуктов не хватает российским шеф-поварам, а без чего прожить можно?

Bones
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
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
Вот так романтик! Что Дэвид Бекхэм хранит на память о первой встрече с Викторией Бекхэм Вот так романтик! Что Дэвид Бекхэм хранит на память о первой встрече с Викторией Бекхэм

Как начинались отношения Дэвида и Виктории Бекхэм

VOICE
Почему люди меняют свои суждения о других? Узнайте неочевидный ответ ученых! Почему люди меняют свои суждения о других? Узнайте неочевидный ответ ученых!

Почему мы меньше обвиняем кого-то, если знаем, что человек страдал в детстве?

ТехИнсайдер
Самые захватывающие книги о реальных преступлениях и закулисье следствия Самые захватывающие книги о реальных преступлениях и закулисье следствия

Чтение тру-крайм-литературы одновременно будоражит и успокаивает.

Maxim
Открыть в приложении