Испанские исследователи создают солнечную клетку, эффективность которой достигнет 43%.

Энергия солнца на протяжении многих лет улучшает свои характеристики, но в ней всё ещё есть большой потенциал для совершенствования. Хотя современные установки становятся всё более экономичными и эффективными, существует физический предел, ограничивающий производительность традиционных солнечных элементов.

Теперь группа учёных из Института фотоники (ICFO), расположенного в Кастельдефельсе, Барселона, представила решение, которое может помочь преодолеть этот барьер. Самое интересное заключается в том, что для этого не требуется создавать совершенно новый полупроводник, а достаточно модифицировать один из компонентов солнечных элементов, чтобы лучше использовать поступающую энергию.

Ключ к решению заключается в замене традиционного прозрачного электрода чрезвычайно тонким слоем серебра, способным проводить электричество, пропускать свет и в то же время контролировать утечку части излучения изнутри элемента.

Слой серебра для преодоления предела эффективности солнечных панелей

Чтобы понять важность этого достижения, необходимо упомянуть известный предел Шокли-Кайзера — основополагающий принцип физики, согласно которому традиционный солнечный элемент с одним соединением имеет максимальную теоретическую эффективность около 33% при стандартных условиях солнечного освещения.

Это означает, что даже при использовании высококачественных материалов и минимизации дефектов производства существует значительное количество энергии, которую невозможно использовать. Часть её теряется в виде тепла, а другая приходится на фотоны, не обладающие достаточной энергией для генерации электричества.

Но существует ещё одно явление, которое также снижает эффективность. Когда солнечный свет попадает на полупроводник, он освобождает электроны, способные генерировать электрический ток. Однако некоторые из этих электронов снова соединяются, излучая фотоны, которые в итоге покидают элемент, унося с собой часть энергии.

Испанские исследователи сосредоточили свои усилия именно на сокращении этих потерь, связанных с излучением и так называемыми потерями Больцмана. Их предложение заключается в изменении способа выхода света из солнечной клетки с использованием оптических свойств металлической пленки.

Вместо обычного оксида индия и олова, известного как ITO, они использовали тонкий слой серебра, который позволяет проходить значительной части света, но в то же время обладает отражающими свойствами. Таким образом ограничиваются углы, под которыми может уходить излучение, исходящее изнутри.

Результатом является структура, которая частично функционирует как оптическая кавитация, способствуя повышению эффективности использования фотонов. В ходе экспериментов команда зафиксировала улучшения как в напряжении, так и в электрическом токе, что особенно важно, поскольку оба параметра определяют мощность, которую может выдавать солнечная батарея.

От 33% до 43% эффективности: что они действительно достигли

Исходя из этих результатов, теоретические модели показывают, что с совершенствованием технологии можно достичь эффективности, близкой к 43%. Это число означало бы значительный скачок по сравнению с классическим пределом для ячеек с одним соединением, хотя ещё предстоит много работы, чтобы выяснить, до каких пределов можно дойти с этим подходом.

Исследователь Франсиско Берналь Текска, первый автор исследования, считает, что эта работа открывает путь к ранее мало исследованному направлению для преодоления предела Шокли-Кайзера. Преимущество заключается в том, что она предлагает альтернативу традиционным стратегиям, основанным в основном на сочетании различных полупроводниковых материалов.

Дело в том, что если эта технология сможет развиться до уровня коммерческого решения, она сможет увеличить производство электроэнергии без необходимости пропорционального увеличения площади, занимаемой панелями. Это особенно интересно для установок на крышах, где доступное пространство обычно ограничено.

Технология, которая может дополнить перовскитные солнечные элементы

Работа ICFO проводится в период острой конкуренции за повышение эффективности фотовольтаики. Одной из технологий, привлекающих наибольшее внимание, являются тандемные солнечные элементы, которые сочетают различные материалы для использования разных участков солнечного спектра.

Примером может служить китайский производитель LONGi, который объявил об эффективности в 35,5% у тандемного элемента на основе перовскита и кремния. В этом случае принцип отличается от того, который используют исследователи из Барселоны: вместо контроля уходящего излучения сочетаются материалы с разными свойствами поглощения для более эффективного использования энергии фотонов.

Перовскит позволяет регулировать длины волн, которые он может поглощать, в то время как кремний отвечает за использование другой части спектра. Такое сочетание позволяет преодолеть ограничения, характерные для традиционных односвязных солнечных элементов.

Предложение ICFO касается другого механизма потерь, что открывает возможность для исследования взаимодополняющих решений. Это не означает, что обе технологии можно прямо сочетать без трудностей, но существуют различные пути для дальнейшего повышения эффективности солнечной энергетики.

Также исследуются такие техники, как одиночное деление фотона, направленные на использование фотонов высокой энергии для создания более чем одного электронного возбуждения. Это ещё экспериментальные стратегии, но они показывают, что потенциал улучшения фотовольтаической технологии остается значительным.

Больше электроэнергии при той же площади солнечных панелей

Практические последствия повышения эффективности довольно просты. Чем больше энергии можно получить с одинаковой площади, тем меньше пространства потребуется для получения определённого объёма производимой электроэнергии.

Например, в чисто теоретическом сравнении ячейка с эффективностью 43% может генерировать примерно на 30% больше электроэнергии на единицу площади, чем ячейка с эффективностью 33%, при условии, что обе работают в одинаковых условиях.

Это будет иметь последствия для установок самопотребления, крупных солнечных электростанций, а также для тех приложений, где каждый квадратный метр имеет особую ценность. От промышленных крыш до фотовольтаических систем, встроенных в здания, увеличение производства без расширения площади установок представляет собой очевидное преимущество.

Однако до сих пор существуют значительные препятствия. Новая структура должна доказать, что её можно производить в крупных масштабах, сохранять её эффективность на протяжении многих лет и обеспечивать конкурентоспособные затраты. Также необходимо проверить, сохраняются ли улучшения, наблюдаемые в лабораторных условиях, при переходе к ячейкам большего размера, а затем и к полноценным модулям.

Использование серебра также является важным фактором, поскольку это относительно дорогой материал. Хотя используемые слои чрезвычайно тонкие, их расход, стабильность и процесс производства будут важными критериями для оценки коммерческой жизнеспособности.

Пока что речь идет о научном прорыве, а не о новом поколении солнечных панелей, готовых к установке на крышах. Однако работа исследователей из Барселоны показывает, что еще есть пути для улучшения использования источника энергии, который мы получаем бесплатно каждый день.

А если в конечном итоге удастся преобразовать гораздо большую часть этого света в электричество, стоимость солнечной энергии может продолжать снижаться без необходимости занимать все больше пространства.