Кремний

May 16, 2023

Перспективный: Традиционные солнечные энергетические элементы основаны на кремниевом полупроводниковом соединении, которое, как известно, имеет теоретическую максимальную эффективность преобразования солнечного света в электрическую энергию в 29 процентов. Однако за счет включения второго слоя перовскита в базовый слой кремния солнечные элементы имеют потенциал превзойти этот порог эффективности в ближайшем будущем.

Перовскит — это класс соединений, которые имеют ту же кристаллическую структуру, что и минерал оксида кальция и титана. Этот очень гибкий материал используется во многих областях, включая ультразвуковые аппараты, чипы памяти и солнечные элементы для выработки электроэнергии. Недавние исследования показывают, что перовскит может быть «секретным соусом», который продвинет индустрию солнечных батарей на новый уровень эффективности производства электроэнергии.

Современная технология солнечных батарей быстро приближается к своему максимальному уровню эффективности, но все еще не достигает того, что необходимо для того, чтобы солнечная энергия стала существенным фактором, смягчающим глобальное потепление. Ученые говорят, что эффективность должна превысить 30 процентов, а уровень установки новых солнечных панелей должен увеличиться в десять раз по сравнению с нынешним уровнем внедрения.

Добавив дополнительный слой перовскита поверх кремниевой основы, оба из которых обладают полупроводниковыми свойствами, можно увеличить количество энергии, улавливаемой от солнечного света. Слой кремния захватывает электроны красного света, а слой перовскита — синего света. Улучшенная способность поглощения энергии приведет к снижению общей стоимости солнечной энергии, тем самым обеспечивая более быстрое развертывание и внедрение солнечных панелей.

Ученые потратили годы на разработку эффективной технологии кремниево-перовскитных солнечных батарей, и похоже, что 2023 год станет важной вехой в этой области. Недавние исследовательские достижения успешно подняли эффективность тандемных кремниево-перовскитных элементов выше 30 процентов. Темпы прогресса настолько высоки, что вскоре эта технология продемонстрирует свои расширенные возможности в коммерчески доступных продуктах.

Стефан Де Вольф, профессор материаловедения и инженерии в Университете науки и технологий имени короля Абдаллы в Саудовской Аравии, считает, что 2023 год принесет значительный прогресс. Команда Де Вольфа уже достигла уровня эффективности кремниево-перовскитного солнечного элемента в 33,7 процента, но их работу еще предстоит опубликовать в научных журналах.

Другая группа, возглавляемая Стивом Альбрехтом из Берлинского центра материалов и энергетики имени Гельмгольца в Германии, недавно опубликовала исследование о тандемном кремний-перовскитном элементе, который может достигать эффективности преобразования энергии до 32,5 процента. Третья группа под руководством Синь Юй Чина из Федерального технологического института в Лозанне, Швейцария, продемонстрировала уровень эффективности 31,25 процента с тандемными элементами, обладающими «потенциалом как высокой эффективности, так и низких производственных затрат».

По словам Де Вольфа, преодоление 30-процентного энергетического порога вселяет уверенность в том, что «высокопроизводительные и недорогие фотоэлектрические системы могут быть выведены на рынок». Мощность солнечной энергии достигла 1,2 тераватт (ТВт) в 2022 году, а к 2050 году она должна увеличиться как минимум до 75 ТВт, чтобы смягчить самые катастрофические сценарии, возникающие из-за глобального потепления и выбросов парниковых газов.

Коммерческая индустрия активно работает над повышением эффективности солнечных батарей. Крупнейший производитель Китая (LONGi) уже достиг эффективности в 33,5 процента в лаборатории. Следующий шаг предполагает увеличение размера эффективных тандемных ячеек кремний-перовскит от экспериментальных условий (квадраты 1 см) до функций коммерческого уровня (квадраты 15 см). Де Вольф выражает уверенность, что мы рано или поздно достигнем этой цели.