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
Слепое зрение: почему этот феномен так заинтересовал ученых Слепое зрение: почему этот феномен так заинтересовал ученых

Каково это — видеть, но не осознавать этого?

Psychologies
Топливо для гонок. Чем оно отличается от обычного? Топливо для гонок. Чем оно отличается от обычного?

Думаете, что в автоспорте используется специальное топливо?

РБК
О Владимире Высоцком вспоминает сын: «Согласен с Любимовым — Высоцкий не прожил бы долгую и счастливую жизнь» О Владимире Высоцком вспоминает сын: «Согласен с Любимовым — Высоцкий не прожил бы долгую и счастливую жизнь»

Чем бы он ни занимался, где бы ни находился, его любили

Коллекция. Караван историй
Изучаем Россию: куда отправиться в поисках новых впечатлений Изучаем Россию: куда отправиться в поисках новых впечатлений

Нетривиальные локаций России, где можно сблизиться с дикой природой и отдохнуть

СНОБ
Как определить твою совместимость с мужчиной по рукам: рассказывает эксперт по чтению рук Как определить твою совместимость с мужчиной по рукам: рассказывает эксперт по чтению рук

Как определить вашу совместимость, посмотрев на руки

VOICE
Как полюбить бег по-настоящему Как полюбить бег по-настоящему

5 советов от тех, у кого получилось полюбить бегать

Лиза
5 признаков человека, которого недолюбили в детстве 5 признаков человека, которого недолюбили в детстве

Как можно определить, что в детстве тебе не хватило родительской любви

VOICE
Деньги на чужом успехе: как заработать на готовом арендном бизнесе и что это такое Деньги на чужом успехе: как заработать на готовом арендном бизнесе и что это такое

Арендаторы почувствовали свою власть и навязывают невыгодные условия

Forbes
Библиофутурология: от фонокниги до книгофильма Библиофутурология: от фонокниги до книгофильма

Какие из их предсказаний писателей о будущем книг сбылись?

Наука и жизнь
Токсичный коллектив: 4 признака коллег-абюзеров Токсичный коллектив: 4 признака коллег-абюзеров

Чувствуете себя некомфортно в рабочем коллективе?

Psychologies
Фонды пополняются метрами Фонды пополняются метрами

Граждане распробовали ЗПИФы недвижимости

Деньги
«Это счастье, когда человек на своем месте!» «Это счастье, когда человек на своем месте!»

Михаил Полицеймако: какой он вне экрана и сцены?

Лиза
Почему Толстой не имел права скидывать Анну Каренину под поезд Почему Толстой не имел права скидывать Анну Каренину под поезд

Мария Микулина рассуждает о том, почему Толстой не прав

VOICE
Полуостров сокровищ Полуостров сокровищ

Как и тысячи лет назад, золото возбуждает алчность контрабандистов

Правила жизни
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
Хотите быть счастливой парой? Запомните эти 10 советов Хотите быть счастливой парой? Запомните эти 10 советов

Психолог рассказала, какие действия можно предпринять для улучшения отношений

Psychologies
Всегда в движении Всегда в движении

Физическая активность имеет множество преимуществ для здоровья

Лиза
Археологи впервые обнаружили сухопутный участок пути «из варяг в греки» Археологи впервые обнаружили сухопутный участок пути «из варяг в греки»

1100-летнюю дорогу нашли в Смоленской области, она используется и по сей день

N+1
Русская рыба Русская рыба

Почему долгое время не было интереса к местной рыбе и когда все поменялось

Bones
Описать технический прогресс. Кто придумал теорию для двигателя внутреннего сгорания Описать технический прогресс. Кто придумал теорию для двигателя внутреннего сгорания

Для своего времени ДВС стал настоящим чудом инженерной мысли

СНОБ
«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
Idris & Leos: «Всё превратится в эстраду» Idris & Leos: «Всё превратится в эстраду»

Idris & Leos рассказали о том, почему не любят, когда про них пишут в интернете

ЖАРА Magazine
«Надо спросить психолога»: как и почему формируется зависимость от психотерапии «Надо спросить психолога»: как и почему формируется зависимость от психотерапии

По каким симптомам можно распознать зависимость от психотерапии?

Psychologies
Неотъемлемая часть киносеанса: откуда взялась традиция есть попкорн за просмотром фильма в кинотеатре Неотъемлемая часть киносеанса: откуда взялась традиция есть попкорн за просмотром фильма в кинотеатре

Раньше попкорн в кинотеатрах вообще был под строжайшим запретом

ТехИнсайдер
Управляющие отчитались о росте Управляющие отчитались о росте

Самые успешные инвестиции середины лета

Деньги
Беспилотник научили парить почти без затрат энергии Беспилотник научили парить почти без затрат энергии

Система управления беспилотника находит оптимальные точки в воздушных потоках

N+1
Власть Власть

Как устроена власть в Объединенных Арабских Эмиратах?

Правила жизни
Зуд седьмого года: когда риски измены в браке выше всего Зуд седьмого года: когда риски измены в браке выше всего

Почему люди идут на неверность примерно спустя семь лет брака

Psychologies
Мозг собак сильнее отреагировал на человеческое сюсюкание Мозг собак сильнее отреагировал на человеческое сюсюкание

Ученые выявили сходство между тем, как мозг младенцев и собак обрабатывает речь

N+1
Открыть в приложении