На сколько возможно повысить эффективность работы солнечных батарей

Ученые из Санкт-Петербурга получили лабораторный прототип солнечной батареи на основе А3В5 полупроводниковых соединений на кремниевой подложке, который по эффективности в 1,5 раза превышает однокаскадные аналоги.

Возобновляемые источники энергии становятся устойчивым трендом в мировой электроэнергетике. По данным BloombergNEF, в 2019 году рынок ВИЭ вырос на 44%, а в ряде стран доля «зеленой» энергии уже достигает 20‑30% в общем объеме энергопотребления. Значительная часть выработки возобновляемой энергии приходится на электростанции, преобразующие солнечный свет в энергию, и этот сегмент ВИЭ продолжает расти. В 2019 году объем продаж солнечных панелей превысил 121 ГВт, в этом году они могут увеличиться еще на 60 ГВт, по данным PV InfoLink. При этом пять лет назад суммарная мощность всех солнечных батарей в мире не превышала 50 ГВт, а десять лет назад составляла всего около 1 ГВт.
В конструкции большинства применяемых преобразователей массового производства используются неорганические полупроводниковые материалы на основе кремния с КПД около 20%. Еще большая эффективность (до 40%) получена для каскадных преобразователей, которые используются для энергоснабжения космических аппаратов, но их производство обходится в несколько раз дороже, чем выпуск солнечных панелей наземных электростанций. Каскадные панели, в которых каждый фотоактивный слой поглощает свою часть солнечного спектра, остаются лучшим вариантом для снабжения космического аппарата энергией из года в год. Ежегодный объем производства гетероструктурных космических батарей измеряется тысячами кв. метров, в то же время выпуск солнечных панелей – сотнями миллионов кв. метров.
Усилия разработчиков во всем мире направлены на получение новых и доступных перспективных материалов для фотовольтаики, включая органические и наногибридные полупроводники. Один из многообещающих вариантов повышения эффективности солнечных батарей – использование гетероструктурных элементов из арсенида галлия и родственных ему соединений группы А3В5. Такие солнечные элементы впервые в мире были предложены и созданы в Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе еще в 1969 году. Полупроводниковые соединения А3В5, которые образуются в результате взаимодействия элементов III и V Периодической системы, обеспечивают более широкий выбор основных полупроводниковых параметров, ширины запрещенной зоны и подвижности носителей заряда по сравнению с элементарными полупроводниками.
Группа исследователей из Университета ИТМО, Академического университета им. Ж.И.Алферова РАН и ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН показали, что структуры A3B5 можно вырастить на относительно дешевой кремниевой подложке, сократив стоимость многокаскадного солнечного элемента.
По словам заведующего лабораторией возобновляемых источников энергии Академического университета и соавтора научной работы к.ф.‑м.н. Ивана Мухина, главная сложность синтеза полупроводниковых соединений на кремниевой подложке состоит в том, что полупроводник должен обладать таким же параметром кристаллический решетки, как у кремния.
– К сожалению, полупроводников, отвечающих этому требованию, немного, – сообщил ученый. – К примеру, фосфид галлия (GaP) не очень подходит для создания солнечных элементов, так как плохо поглощает солнечный свет. Но вот если взять GaP и добавить азот N, мы получим раствор GaPN. Уже при малых концентрациях N данный материал становится прямозонным и хорошо поглощает свет, при этом может быть интегрирован на кремниевую подложку. И кремний является не просто фундаментом, на который синтезируется фотоматериал, – кремний сам может выступать одним из фотоактивных слоев солнечного элемента, поглощающим свет в инфракрасном диапазоне.
В экспериментальных условиях ученым удалось получить верхний слой солнечной батареи на кремниевой подложке и создать прототип батареи. Потенциальную эффективность новой батареи ученые оценили в 40%, что в 1,5 раза выше кремниевых аналогов.
Проведенное исследование является начальным этапом на пути к разработке технологии выращивания материалов с прямой запрещенной зоной на основе GaP для фотонных и фотоэлектрических применений, говорится в публикации для Solar Energy Materials and Solar Cells.
Одним из первых идея совмещения A3B5 структур и кремния была озвучена нобелевским лауреатом Жоресом Ивановичем Алферовым, отмечает Иван Мухин. Напомним, известный ученый оценивал теоретическую эффективность преобразования солнечной энергии на основе системы гетероструктур с большим количеством p-n переходов на уровне 86%. Он полагал, что в ближайшие 10‑15 лет фотоэлектроэнергетика станет экономически выгодной, а к середине XXI века может вытеснить углеводородную и атомную энергетику.

 

Мнение

Евгений Теруков, заместитель генерального директора Научно-технического центра тонкопленочных технологий в энергетике:
– Теоретически добиться высокой эффективности солнечных элементов можно, и работы в этом направлении ведутся по всему миру. Однако зачастую практический процесс получения сложен и, что самое главное, трудно масштабируем. Для большой энергетики нужны гигаватты энергии, и практическая эффективность технологии определяется не только энергоэффективностью, но и стоимостью каждого ватта.
К примеру, разработки, которые ведет НТЦ тонкопленочных технологий, касаются самой эффективной на сегодня гетероструктурной технологии солнечного элемента на основе кремния. В рамках этой технологии уже реализованы лабораторные образцы фотоэлектрических панелей с КПД более 26%, а на промышленной линии чувашского предприятия «Хевел» освоен серийный выпуск панелей с КПД более 23%. Кремний обладает теоретическим пределом КПД на уровне 29%, но мы связываем его дальнейшее увеличение с разработкой тандемного солнечного элемента на основе кремния и перовскита. Перовскитные технологии активно развиваются и дают надежду на рост эффективности до 40%. Эта технология хорошо встраивается в гетероструктурный процесс получения кремниевых фотоэлектрических панелей и является экономически более оправданной.

 

https://www.eprussia.ru/epr/386/4447203.htm