Іспанські дослідники створюють сонячну клітину, ефективність якої сягатиме 43%.

Сонячна енергія вже багато років покращує свої характеристики, але у неї все ще є значний простір для вдосконалення. Хоча сучасні установки стають все більш економічними та ефективними, існує фізичний ліміт, який обмежує продуктивність звичайних сонячних елементів.

Тепер група вчених з Інституту фотонічних наук (ICFO), розташованого в Кастельдефельсі, Барселона, запропонувала рішення, яке може допомогти подолати цю перешкоду. І найцікавіше те, що для цього не потрібно розробляти зовсім новий напівпровідник, а достатньо модифікувати один із компонентів сонячних елементів, щоб краще використовувати енергію, яку вони отримують.

Ключ до рішення полягає у заміні звичайного прозорого електрода надзвичайно тонким шаром срібла, який здатний проводити електричний струм, пропускати світло та водночас контролювати, як частина випромінювання виходить зсередини сонячної клітини.

Шар срібла для подолання меж ефективності сонячних панелей

Щоб зрозуміти значення цього досягнення, потрібно згадати відому межу Шоклі-Кайзера — основний принцип у фізиці, згідно з яким звичайна сонячна клітина з одним з’єднанням має максимальну теоретичну ефективність близько 33% за стандартних умов сонячного освітлення.

Це означає, що навіть при використанні високоякісних матеріалів та мінімізації дефектів виробництва існує значна кількість енергії, яку неможливо використати. Частина її втрачається у вигляді тепла, а інша становить фотони, які не мають достатньої енергії для генерації електроенергії.

Але існує ще один феномен, який також знижує ефективність. Коли сонячне світло потрапляє на напівпровідник, воно звільняє електрони, які можуть створювати електричний струм. Однак деякі з цих електронів знову поєднуються та випромінюють фотони, які зрештою виходять з елемента, забираючи з собою частину енергії.

Іспанські дослідники зосередили свої зусилля саме на зменшенні цих втрат, пов’язаних із випромінюванням та так званими втратами Больцмана. Їхній підхід полягає у зміні способу виходу світла з сонячної клітини шляхом використання оптичних властивостей металевого шару.

Замість звичайного оксиду індію та олова, відомого як ITO, вони використали дуже тонкий шар срібла, який дозволяє проходити значній частині світла, але водночас має відбивні властивості. Таким чином обмежуються кути, через які може виходити випромінювання, що генерується всередині клітини.

Результатом є структура, яка частково функціонує як оптична порожнина, допомагаючи покращити використання фотонів. Під час експериментів команда спостерігала покращення як у напрузі, так і в електричному струмі, що є особливо важливим, адже обидва параметри визначають потужність, яку може забезпечити сонячна клітина.

Від 33% до 43% ефективності: що вони насправді досягли

На основі цих результатів теоретичні моделі свідчать про те, що шляхом вдосконалення технології можна досягти ефективності, близької до 43%. Це число означало б значний прорив порівняно з класичним лімітом клітин з одним з’єднанням, хоча ще потрібно багато роботи, щоб з’ясувати, наскільки далеко може просунутися ця ідея.

Дослідник Франсіско Берналь Текска, перший автор дослідження, вважає, що ця робота відкриває шлях досліджень, які досі майже не досліджувалися, для подолання ліміту Шоклі-Кайзера. Перевага полягає у тому, що вона пропонує альтернативу звичайним стратегіям, які переважно зосереджені на поєднанні різних напівпровідникових матеріалів.

Адже якщо ця технологія зможе розвинутися до рівня комерційного рішення, вона зможе збільшити виробництво електроенергії без необхідності пропорційного збільшення площі, займаної панелями. Це особливо цікаво для установок на дахах, де доступний простір зазвичай є обмеженим.

Технологія, яка може доповнити сонячні елементи на основі перовскіту

Робота ICFO відбувається у період інтенсивної конкуренції за підвищення ефективності фотовольтаїки. Однією з технологій, які привертають найбільшу увагу, є тандемні сонячні елементи, які поєднують різні матеріали для використання різних частин сонячного спектру.

Прикладом є китайський виробник LONGi, який оголосив про ефективність 35,5% у тандемному елементі з перовскіту та кремнію. У цьому випадку принцип відрізняється від того, який використовують дослідники з Барселони: замість контролю випромінювання, що виходить, поєднуються матеріали з різними властивостями поглинання для кращого використання енергії фотонів.

Перовскіт дозволяє налаштовувати довжини хвиль, які він може поглинати, тоді як кремній відповідає за використання іншої частини спектру. Це поєднання дозволяє подолати обмеження, які існують у звичайних односпоєних сонячних елементах.

Пропозиція ICFO стосується іншого механізму втрат, тому відкриває можливість для дослідження допоміжних рішень. Це не означає, що обидві технології можна без проблем поєднати безпосередньо, але існують різні шляхи для подальшого підвищення ефективності сонячної енергії.

Також досліджуються такі техніки, як одиночне розщеплення, яка має на меті використання фотонів високої енергії для створення кількох електронних збуджень. Це ще експериментальні стратегії, але вони показують, що потенціал для покращення фотовольтаїчної технології залишається значним.

Більше електроенергії на тій самій площі сонячних панелей

Практичні наслідки підвищення ефективності досить прості. Чим більше енергії можна отримати з однакової площі, тим менше простору потрібно для досягнення певного обсягу виробництва електроенергії.

Наприклад, у суто теоретичному порівнянні елемент з ефективністю 43% міг би генерувати приблизно на 30% більше електроенергії на одиницю площі, ніж елемент з ефективністю 33%, за умови, що обидва працюватимуть за однакових умов.

Це матиме наслідки для об’єктів самовикористання, великих сонячних електростанцій, а також для застосувань, де кожен квадратний метр має особливу цінність. Від промислових дахів до фотовольтаїчних систем, інтегрованих у будівлі, збільшення виробництва без розширення площі установки є очевидною перевагою.

Проте все ще існують значні перешкоди. Нова структура має довести, що її можна виробляти у великих масштабах, зберігати її ефективність протягом багатьох років та забезпечувати конкурентоспроможні ціни. Також необхідно перевірити, чи покращення, спостережені в лабораторії, зберігаються під час переходу системи до клітин більшого розміру, а потім до повних модулів.

Використання срібла також є важливим фактором, адже це відносно дорогий матеріал. Хоча шари, які використовуються, є надзвичайно тонкими, їхнє споживання, стабільність та процес виробництва будуть ключовими чинниками для визначення комерційної життєздатності.

Наразі ми маємо справу з науковим проривом, а не з новим поколінням сонячних панелей, готових до встановлення на дахи. Проте робота дослідників з Барселони демонструє, що ще залишається багато шляхів для подальшого використання цього джерела енергії, яке ми отримуємо безкоштовно щодня.

А якщо нарешті вдасться перетворити значно більшу частину цього світла на електроенергію, сонячна енергетика зможе й надалі знижувати свої витрати, не потребуючи все більшої площі.