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
Ученые назвали новый стандарт «пустоты»: абсолютный вакуум Ученые назвали новый стандарт «пустоты»: абсолютный вакуум

NIST утвердил процесс для нового способа достичь «подлинного ничто»

ТехИнсайдер
Звезды из Европы и отсутствие офсайдных линий: как устроено судейство в РПЛ Звезды из Европы и отсутствие офсайдных линий: как устроено судейство в РПЛ

Что сейчас происходит с судейством в РПЛ?

Forbes
Ген голого землекопа продлил жизнь мышей и защитил их от рака Ген голого землекопа продлил жизнь мышей и защитил их от рака

Ген голого землекопа повышает синтез высокомолекулярной гиалуроновой кислоты

N+1
«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
«Подростки — это мощная сила, которая способна изменить мир». Эксперты продюсерского центра «Вдохновители» о том, как создавать социально значимый контент «Подростки — это мощная сила, которая способна изменить мир». Эксперты продюсерского центра «Вдохновители» о том, как создавать социально значимый контент

Что такое социально преобразующий контент и почему он прибылен для бизнеса

СНОБ
«Что может происходить, когда муж уходит, а робот-помощник остаётся?»: актриса Янина Студилина рассказала о сериале, в котором снялась «Что может происходить, когда муж уходит, а робот-помощник остаётся?»: актриса Янина Студилина рассказала о сериале, в котором снялась

Янина Студилина о том, почему боится роботов и не сильно ограничивает себя в еде

VOICE
Как государство присматривается к рынку игровых артефактов Как государство присматривается к рынку игровых артефактов

Росфинмониторинг и Минфин задумались о регулировании игровых валют

Forbes
Что надо знать о блан де нуаре — одном из винных хитов 2023 года Что надо знать о блан де нуаре — одном из винных хитов 2023 года

Почему российский блан де нуар отличается от французского и как его делают

СНОБ
Камеры стреляют водителям в спину: кого ждут штрафы после такой фиксации Камеры стреляют водителям в спину: кого ждут штрафы после такой фиксации

Операторы показали примеры штрафов ГИБДД с работающих в спину камер

РБК
Большая разница? Мозги самцов и самок по-разному реагируют на хронический стресс Большая разница? Мозги самцов и самок по-разному реагируют на хронический стресс

Реакция клеток мозга на стресс отличается в зависимости от пола животного

ТехИнсайдер
Зачем стюардессе топор: краткий ликбез по аварийно-спасательному оборудованию самолета Зачем стюардессе топор: краткий ликбез по аварийно-спасательному оборудованию самолета

Xто же именно находится на багажных полках самолетов?

ТехИнсайдер
Эксперимент Muon g-2 измерил аномальный магнитный момент мюона с рекордной точностью Эксперимент Muon g-2 измерил аномальный магнитный момент мюона с рекордной точностью

Физики представили новые результаты эксперимента Muon g-2

N+1
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
Всегда в движении Всегда в движении

Физическая активность имеет множество преимуществ для здоровья

Лиза
Посттравматический рост: как испытания стимулируют наше развитие. Глава книги «Пересобрать себя» Посттравматический рост: как испытания стимулируют наше развитие. Глава книги «Пересобрать себя»

Как поверить в себя, исследуя свое тело, разум и окружающий мир?

Правила жизни
Стереофотосъемка пещеры Ла-Пасьега выявила фигуративные рисунки среди нефигуративных Стереофотосъемка пещеры Ла-Пасьега выявила фигуративные рисунки среди нефигуративных

Ученые идентифицировали двух лошадей и одного тура на наскальных изображениях

N+1
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
Красная львица Красная львица

Убранству 80-метровой Leona позавидуют иные дворцы шейхов

Y Magazine
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
Кто такой Михаил Елизаров — автор «Библиотекаря» и впечатляющих песен Кто такой Михаил Елизаров — автор «Библиотекаря» и впечатляющих песен

Кто такой Михаил Елизаров?

Правила жизни
Корниловский марш Корниловский марш

Лавр Корнилов был ровесником Ленина, в августе 1917 года ему исполнилось 47 лет

Дилетант
Легендарный советский реквизит, который кочевал из фильма в фильм Легендарный советский реквизит, который кочевал из фильма в фильм

Порой один и тот же реквизит снимался в советских фильмах чаще, чем актеры

Maxim
Как уйти в отпуск без чувства вины: 5 простых шагов Как уйти в отпуск без чувства вины: 5 простых шагов

Что больше всего тревожит отпускных и что с этим можно сделать

Psychologies
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
Brabus добрался до Range Rover Brabus добрался до Range Rover

Познакомьтесь с Brabus 600 Range Rover

4x4 Club
Травы и специи могут сделать вкусную вредную пищу более полезной Травы и специи могут сделать вкусную вредную пищу более полезной

Как сделать вкусную еду менее вредной?

ТехИнсайдер
Как отдохнуть на Сейшелах с детьми Как отдохнуть на Сейшелах с детьми

Как на Сейшелах «перезагрузиться» в отпуске всей семьей

СНОБ
«Дикая птица и культурный человек» «Дикая птица и культурный человек»

Гага обыкновенная и человек разумный: четырнадцать веков взаимоотношений

N+1
Васнецовы Васнецовы

Гениальный мерч в честь легендарного иллюстратора Юрия Васнецова

Собака.ru
Открыть в приложении