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 процента

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.

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 галлия GaAs (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 APbI3. Они тоже дешевые и за десять лет догнали кремниевые по эффективности. Сейчас рекорд у этих видов одинаков — 26,1 процента.

Но у перовскитных элементов пока серьезные проблемы с устойчивостью. Кроме того, они тоже приближаются к теоретическому потолку эффективности — новые рекорды появляются все реже. И даже если эффективность в 30 процентов на перовскитах в принципе достижима, добираться до нее придется еще долго.

Рекорды эффективности, зафиксированные Национальной лабораторией по изучению возобновляемой энергии США (NREL) для разных типов солнечных элементов / NREL

Автомобиль-гибрид

Поскольку прямой замены кремнию, в общем-то, нет, а более эффективные и дешевые элементы все равно нужны, ученые предложили добавить к нему что-то, что незадорого расширит диапазон поглощаемого света. Например, дополнительный слой из второго полупроводника.