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
Кто соберет дары леса Кто соберет дары леса

Развитию рынка дикоросов могут способствовать новые меры господдержки

Агроинвестор
Черниговская восьмёрка Черниговская восьмёрка

Бунт Черниговского полка — выступление декабристов в Киевской губернии

Дилетант
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
«Ночь заводов»: зачем в действующих цехах устраивают перформансы и концерты «Ночь заводов»: зачем в действующих цехах устраивают перформансы и концерты

Зачем делать действующие предприятия площадками для современного искусства

Forbes
Что такое сексуальная отзывчивость и как она влияет на интимную жизнь Что такое сексуальная отзывчивость и как она влияет на интимную жизнь

Чем больше партнеры думают друг о друге во время секса, тем он лучше

Maxim
На удалении от всех На удалении от всех

Как не попасть в коварную ловушку под названием «удаленка»?

Лиза
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
Сложный разговор Сложный разговор

Какой язык самый сложный? Тот, что труднее всего выучить?

Вокруг света
В чем польза и вред шпината для организма В чем польза и вред шпината для организма

Шпинат может улучшить зрение и замедлить процесс повреждения клеток

РБК
Как полюбить бег по-настоящему Как полюбить бег по-настоящему

5 советов от тех, у кого получилось полюбить бегать

Лиза
Размер не главное: самые маленькие квартиры мира Размер не главное: самые маленькие квартиры мира

Крошечные квартиры, которые вы не могли себе даже представить

Правила жизни
Биозавивка на волосах разной длины: виды, сроки и нюансы процедуры Биозавивка на волосах разной длины: виды, сроки и нюансы процедуры

В чем плюсы и минусы биозавивки и какой она получается на волосах разной длины

РБК
Самая нетипичная футбольная звезда: Буффон прощается с футболом в 45 лет Самая нетипичная футбольная звезда: Буффон прощается с футболом в 45 лет

Удивительные истории из жизни итальянского Супермена

Forbes
Холодное пиво в жару: пить или не пить Холодное пиво в жару: пить или не пить

Пиво и жара рождены друг для друга! Разбираемся, полезно такое сочетание или нет

Maxim
Пираты, комиксы и звездные войны: самые дорогие фильмы всех времен Пираты, комиксы и звездные войны: самые дорогие фильмы всех времен

Десятка самых дорогих когда-либо существовавших фильмов — в нашем материале

Forbes
Карты, деньги, два стола: 15 лучших фильмов об азартных играх Карты, деньги, два стола: 15 лучших фильмов об азартных играх

Поп лучших фильмов про покер и другие карточные и азартные игры

Forbes
«Идти таким же путем никому не советую»: как за время декрета я стала стоковым иллюстратором «Идти таким же путем никому не советую»: как за время декрета я стала стоковым иллюстратором

Как Екатерина в 30 лет бросила работу инженером и стала иллюстратором?

VOICE
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
Ранняя слава, внебрачный сын и страшная болезнь: какой была жизнь самого «русского» итальянца Тото Кутуньо Ранняя слава, внебрачный сын и страшная болезнь: какой была жизнь самого «русского» итальянца Тото Кутуньо

Вспоминаем счастливые моменты и трагедии жизни Тото Кутуньо

VOICE
Бластофаг — пожиратель бластов Бластофаг — пожиратель бластов

Как появился и почему не используется противоопухолевый препарат бластофаг

Наука и жизнь
Ничейные взрослые: как устроена жизнь после детского дома Ничейные взрослые: как устроена жизнь после детского дома

Взросление у выпускников детских домов происходит не так, как в обычной семье

Psychologies
Пудровое напыление: что нужно знать, чтобы получить идеальные брови Пудровое напыление: что нужно знать, чтобы получить идеальные брови

Как делают пудровое напыление и какие у него плюсы и минусы

РБК
Как республиканец и кандидат на пост президента США Вивек Рамасвами стал миллиардером Как республиканец и кандидат на пост президента США Вивек Рамасвами стал миллиардером

В отличие от своего конкурента Вивек Рамасвами разбогател самостоятельно

Forbes
Чего не стоит делать, если вы хотите произвести хорошее впечатление: 4 ошибки Чего не стоит делать, если вы хотите произвести хорошее впечатление: 4 ошибки

Чего следует избегать, если вы хотите произвести положительное впечатление

Psychologies
Трагические события: как они влияют на психику и что помогает их пережить — 3 практики Трагические события: как они влияют на психику и что помогает их пережить — 3 практики

Что отличает травматичные и стрессовые ситуации? Как они влияют на нас?

Psychologies
Спиленные деревья стали дешевой заменой вымершим коралловым рифам Спиленные деревья стали дешевой заменой вымершим коралловым рифам

Ученые придумали куда более простой выход из ситуации с вымиранием рифов

ТехИнсайдер
Домашний лимонад: 5 рецептов напитков, которые можно сделать дома Домашний лимонад: 5 рецептов напитков, которые можно сделать дома

Как приготовить домашний лимонад без вреда для фигуры и здоровья

РБК
Новостные агентства требуют, чтобы при обучении ИИ, не использовались тексты и изображения без разрешения Новостные агентства требуют, чтобы при обучении ИИ, не использовались тексты и изображения без разрешения

Как инструменты искусственного интеллекта нарушают законы об авторском праве.

ТехИнсайдер
Карма существует! Карма существует!

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

ЖАРА Magazine
Открыть в приложении