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
Восстанавливаем удаленные со смартфона фото: подробная инструкция для iPhone и Android Восстанавливаем удаленные со смартфона фото: подробная инструкция для iPhone и Android

Кому из нас не приходилось сокрушаться о случайно удаленных фотографиях?

CHIP
Сто тысяч дрозофил не почувствовали магнитного поля Сто тысяч дрозофил не почувствовали магнитного поля

Почему изучать магниторецепцию на дрозофилах не получится

N+1
«‎Кто ты без костюма?» История человека, придумавшего бодибилдинг‎ «‎Кто ты без костюма?» История человека, придумавшего бодибилдинг‎

Отец бодибилдинга вообще-то шел сначала по пути святого отца

СНОБ
Мясо без мяса, мука из кузнечиков, ИИ в фастфуде: какое будущее ждет еду Мясо без мяса, мука из кузнечиков, ИИ в фастфуде: какое будущее ждет еду

Как меняются технологии производства продуктов?

РБК
Это не ветка Это не ветка

Лев на картине Сано ди Пьетро несчастен не потому, что ему предложили ветку

Вокруг света
Как женщины борются со стереотипами о внешности и возрасте на рабочем месте Как женщины борются со стереотипами о внешности и возрасте на рабочем месте

Как стюардессы каждый день сталкиваются с дискриминацией по внешности и возрасту

Forbes
«Почему ты такая худая»: что такое скинни-шейминг и как он влияет на женщин «Почему ты такая худая»: что такое скинни-шейминг и как он влияет на женщин

Худые люди тоже сталкиваются с буллингом — из-за «недостаточного веса»

Forbes
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
10 отличных фильмов с очень мрачным финалом 10 отличных фильмов с очень мрачным финалом

Никаких сопливых хэппи-эндов! Только страдания и хардкор!

Maxim
«Мы стремимся сделать „Манжерок“ одним из лучших курортов в мире» «Мы стремимся сделать „Манжерок“ одним из лучших курортов в мире»

Какие перспективы развития появились у курорта «Манжерок»

Деньги
В Польше нашли убитых в немецком лагере Треблинка-1 заключенных В Польше нашли убитых в немецком лагере Треблинка-1 заключенных

Ученые провели исследование останков из коллективной могилы в Треблинке-1

N+1
Как позаботиться об отношениях: резонанс и энергия. Часть 2 Как позаботиться об отношениях: резонанс и энергия. Часть 2

Как начать получать удовольствие от жизни?

Psychologies
Как расширить память смартфона на Android Как расширить память смартфона на Android

Есть различные способы увеличить объем доступной в смартфоне памяти

ТехИнсайдер
Кто придумал наркоз и гипс Кто придумал наркоз и гипс

История изобретения наркоза и гипса

СНОБ
Я же тебе говорила! Я же тебе говорила!

Фразы в воспитании, от которых вреда больше, чем пользы

Лиза
Богатые вечно плачут: что смотреть, если вам нравится «Белый лотос» Богатые вечно плачут: что смотреть, если вам нравится «Белый лотос»

Если вам нравится «Белый лотос», посмотрите и другие шоу из нашего списка

Правила жизни
Главное — баланс Главное — баланс

Составление винной карты — творческий процесс

Bones
Фонды пополняются метрами Фонды пополняются метрами

Граждане распробовали ЗПИФы недвижимости

Деньги
SPF-бум и технологичные ткани: как глобальное потепление меняет индустрию моды и красоты SPF-бум и технологичные ткани: как глобальное потепление меняет индустрию моды и красоты

Климатические изменения вовсю побуждают покупателей к новым запросам

Правила жизни
Как выглядит древнейший человек, чей геном удалось секвенировать: 45 000 лет в пещере Как выглядит древнейший человек, чей геном удалось секвенировать: 45 000 лет в пещере

Исследователи создали приближенное изображение женщины возрастом 45 000 лет

ТехИнсайдер
Как обрести уверенность Как обрести уверенность

Почему нас часто мучают сомнения в том, что мы справимся с чем-то?

Лиза
Новый антибиотик заставляет вредных микробов совершать самоубийство: наш шанс в борьбе с супербактериями Новый антибиотик заставляет вредных микробов совершать самоубийство: наш шанс в борьбе с супербактериями

Новый препарат может помочь переломить ход борьбы с супербактериями

ТехИнсайдер
В могиле древнекитайской простолюдинки нашли косметику В могиле древнекитайской простолюдинки нашли косметику

Ученые исследовали остатки косметики, найденные в могиле простолюдинки

N+1
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
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
Проклятие «века смартфонов»: что такое цифровое слабоумие и как распознать его у себя Проклятие «века смартфонов»: что такое цифровое слабоумие и как распознать его у себя

Из-за того, что устройства стали чересчур умными, нам грозит диджитал-деменция

VOICE
Дегустации и дегустаторы Дегустации и дегустаторы

Что для главное для специалистов на кухне, кроме знаний, умений и компетенций?

Bones
Тогда и сейчас: что стало с актерами фильма «Мост в Терабитию» 16 лет спустя Тогда и сейчас: что стало с актерами фильма «Мост в Терабитию» 16 лет спустя

Интересно посмотреть, как актеры «Моста в Терабитию» выглядят сейчас?

VOICE
Аляскинские волки пристрастились к охоте на каланов Аляскинские волки пристрастились к охоте на каланов

Волки из Катмай на юго-западе Аляски регулярно охотятся на каланов

N+1
Открыть в приложении