Кремниево-перовскитовые фотоэлектрические элементы – на подступах к новому уровню энергетической эффективности

Основой элементов традиционных солнечных батарей являются полупроводниковые соединения кремния, которые способны преобразовывать солнечный свет в электрическую энергию с максимальным теоретическим КПД 29%. Однако путем нанесения на базовый слой кремния дополнительного слоя перовскита потолок эффективности солнечных элементов можно повысить, и, возможно, уже в ближайшем будущем. Для фотоэлектрических технологий этот год может стать революционным.

Перовскит (титанат кальция) относится к классу минералов с кристаллической структурой. Область его применения весьма широка: ультразвуковые устройства, чипы памяти и фотоэлектрические элементы питания. Результаты последних исследований показывают, что перовскит может стать "секретным ингредиентом", который выведет фотоэлектрическую отрасль на новый уровень энергетической эффективности.

Существующие солнечные элементы в части КПД быстро вышли на уровень своего теоретического максимума, однако этого недостаточно, чтобы использование солнечной энергии стало весомым фактором в борьбе с энергетическим кризисом и глобальным потеплением. По словам ученых, для этого необходимо, чтобы КПД солнечных элементов перешагнул порог 30%, а интенсивность внедрения новых солнечных батарей выросла на порядок по сравнению с текущими темпами.

Нанесение поверх кремниевой основы дополнительного слоя перовскита, также обладающего полупроводниковыми свойствами, позволит увеличить количество энергии, получаемой от светового потока. Кремниевый слой захватывает электроны из красной части спектра, а перовскитовый – из синей. Увеличение поглотительной способности фотоэлектрических элементов приведет к снижению стоимости солнечной энергии, что, в свою очередь, позволит использовать солнечные батареи более широко и ускорит их внедрение в различных сферах.

Ученые потратили годы на разработку кремниево-перовскитовых солнечных элементов повышенной эффективности, и 2023 год обещает стать ключевым пунктом в истории этой отрасли. В результате последних усовершенствований технологии КПД кремниево-перовскитового тандема удалось вывести за отметку 30%. Причем темпы прогресса таковы, что уже в скором времени возможности усовершенствованных фотоэлектрических элементов будут доступны в коммерческих продуктах.

Штефан де Вольф (Stefaan De Wolf), профессор материаловедения и строительной механики Научно-технологического университета им. короля Абдаллы в Саудовской Аравии, считает, что 2023 год станет годом значительных усовершенствований. Команде де Вольфа уже удалось довести КПД кремниево-перовскитового солнечного элемента до 33.7%, но эти результаты еще не опубликованы в научных изданиях.

Еще одна группа ученых из Берлинского научно-исследовательского центра материалов и энергии им. Гельмгольца (Германия), возглавляемая Стивом Альбрехтом (Steve Albrecht), недавно опубликовала результаты исследования свойств двухкомпонентных кремниево-перовскитовых элементов, где речь идет о преобразовании энергии с КПД 32.5%. Третья группа (под руководством Син Ю Чин (Xin Yu Chin)) из швейцарского Федерального технологического института Лозанны продемонстрировала двухкомпонентные солнечные элементы с КПД 31.25%, которые отличаются "одновременно высокой энергетической эффективностью и низкой стоимостью производства."

По словам де Вольфа, преодоление 30%-ного порога в части КПД внушает уверенность в том, что "высокопроизводительные фотоэлектрические элементы с низкой себестоимостью могут стать коммерчески успешным продуктом". Мощность солнечных батарей в 2022 году достигала 1.2 тераватт (ТВт), и к 2050 году она должна вырасти, как минимум, до 75 ТВт, чтобы с их помощью можно было предотвратить наиболее катастрофические сценарии, к которым может привести увеличение концентрации парниковых газов в атмосфере и глобальное потепление.

Коммерческие производственные предприятия также активно работают над повышением эффективности солнечных элементов. Крупнейший китайский производитель (LONGi) уже довел КПД лабораторных опытных образцов до 33.5%. Следующим шагом должно стать увеличение размеров высокоэффективных кремниево-перовскитовых элементов – от площади экспериментальных образцов (около 1 см²) до площадей уровня коммерческого использования (примерно 15 см²). Де Вольф выразил уверенность в том, что эта задача будет решена в ближайшем будущем.