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
«Мы встречаемся уже год»: «Краса России-2015», ставшая невестой сына Стивена Сигала, раскрыла подробности их романа «Мы встречаемся уже год»: «Краса России-2015», ставшая невестой сына Стивена Сигала, раскрыла подробности их романа

Фотомодель Айрин Данилова рассказала о знакомстве с Домиником Сигалом

VOICE
Пермская обитель Пермская обитель

Илья Гришаев: почерк абстракции

Weekend
Без FIFA, но с футболистками: чего ждать от нового футбольного симулятора Без FIFA, но с футболистками: чего ждать от нового футбольного симулятора

Почему Electronic Arts и FIFA разорвали отношения спустя 30 лет сотрудничества?

Forbes
Дегустации и дегустаторы Дегустации и дегустаторы

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

Bones
По своему желанию По своему желанию

Самые надежные средства контрацепции, о которых ты, возможно, не знала

Лиза
«Не встал»: 5 неочевидных причин худшего из мужских кошмаров «Не встал»: 5 неочевидных причин худшего из мужских кошмаров

Проблемы с эрекцией в самый неожиданный момент — не только стыдно, но и тревожно

Psychologies
Почти не сопротивлялся Почти не сопротивлялся

Как открыли и закрыли потенциальный сверхпроводник LK-99

N+1
Запад на Востоке Запад на Востоке

Филолог Арсений Дежуров написал о диалоге между двумя великими цивилизациями

Правила жизни
В новом пикапе Fisker Alaska будет крепление для ковбойской шляпы В новом пикапе Fisker Alaska будет крепление для ковбойской шляпы

Компания Fisker рассказала об особенностях своей новой модели Alaska

4x4 Club
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
Черная смерть, опустошившая Европу: 7 реальных фактов о чуме, которые вас удивят Черная смерть, опустошившая Европу: 7 реальных фактов о чуме, которые вас удивят

Правда ли, что чума опустошила треть Европы?

ТехИнсайдер
Железная логика: почему промышленники против оборотных штрафов за утечки данных Железная логика: почему промышленники против оборотных штрафов за утечки данных

Сталевары выступили с критикой ведения оборотных штрафов за утечки данных

Forbes
Принцессы так не поступают: 5 явных признаков того, что Меган Маркл была обречена на «мегзит» Принцессы так не поступают: 5 явных признаков того, что Меган Маркл была обречена на «мегзит»

Вот пять грубых нарушений, которые допустила Меган Маркл

VOICE
Палеоклиматологи не разрешили людям пережить в Европе оледенение 1,1 миллиона лет назад Палеоклиматологи не разрешили людям пережить в Европе оледенение 1,1 миллиона лет назад

Палеоклиматологи исследовали керн донных отложений, извлеченный в Португалии

N+1
Это не ветка Это не ветка

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

Вокруг света
Пилотная серия Пилотная серия

Суперъяхта Akira открывает новую серию быстроходных судов

Y Magazine
Смог, потребность в айтишниках и драки «район на район»: коротко о жизни в Папуа-Новой Гвинее Смог, потребность в айтишниках и драки «район на район»: коротко о жизни в Папуа-Новой Гвинее

Как живут люди на юго-западе Тихого океана?

VC.RU
Почему зрителям нравятся фильмы и сериалы о маньяках: выясняем с психотерапевтами Почему зрителям нравятся фильмы и сериалы о маньяках: выясняем с психотерапевтами

Могут ли фильмы про маньяков нести опасность зрителям?

Psychologies
Lapina: «Хейт — это очень весело» Lapina: «Хейт — это очень весело»

Lapina — яркий музыкальный проект Татьяны Лапиной

ЖАРА Magazine
Опять за старое: что собой представляет вторичный рынок одежды и почему он важен именно сейчас Опять за старое: что собой представляет вторичный рынок одежды и почему он важен именно сейчас

Чем отличается ресейл от секонд-хенда, а архив — от винтажа

Правила жизни
Зоологи опознали белых медведей по ДНК из их следов на снегу Зоологи опознали белых медведей по ДНК из их следов на снегу

Американские зоологи нашли способ изучать белых медведей, не беспокоя их

N+1
«Счастье»: оглушительная казахстанская драма о домашнем насилии за закрытыми дверями «Счастье»: оглушительная казахстанская драма о домашнем насилии за закрытыми дверями

Казахстанская драма «Счастье» Аскара Узабаева, «фильм-катастрофа»

Forbes
Гусеничный орнитоптер с пропеллерами сел на стену и поехал Гусеничный орнитоптер с пропеллерами сел на стену и поехал

Инженеры разработали прототип гибридного орнитоптера

N+1
Корпус искусств Корпус искусств

Смелый и впечатляющий интерьер в эклектичном стиле

SALON-Interior
Масса за горизонтом событий Масса за горизонтом событий

О том, как удалось обнаружить и «взвесить» одну из сверхмассивных чёрных дыр

Наука и жизнь
За тридевять земель: тестируем китайский кроссовер с почти бесконечным запасом хода За тридевять земель: тестируем китайский кроссовер с почти бесконечным запасом хода

Skywell HT-i — модель словно создана для России

ТехИнсайдер
Имплант под воздействием тока вырабатывает инсулин. Предложен новый метод лечения диабета Имплант под воздействием тока вырабатывает инсулин. Предложен новый метод лечения диабета

Ученые создали искусственные человеческие клетки, способные вырабатывать инсулин

ТехИнсайдер
Принцесса покера: как Молли Блум заработала миллионы на игре в покер и потеряла все Принцесса покера: как Молли Блум заработала миллионы на игре в покер и потеряла все

Жизнь Молли была разрушена в одночасье, но она собрала её по кусочкам

Forbes
Квартиры не отдаются Квартиры не отдаются

Доступность жилья в России снизилась до уровня десятилетней давности

Деньги
Открыть в приложении