Новые солнечные элементы бьют рекорды эффективности – в конечном итоге они могут стать суперускорителем в получении энергии от Солнца

Вид солнечных панелей, установленных на крышах домов, и крупных энергетических ферм стал привычным во многих регионах мира. Даже в серой и дождливой Великобритании солнечная энергия становится одним из основных факторов производства электричества.

Этому всплеску солнечной энергетики способствуют два ключевых события. Во-первых, ученые, инженеры и промышленники учатся производить солнечные панели миллиардами. Каждый этап производства тщательно оптимизируется, чтобы производить их очень дешево. Второе и самое значительное – это неуклонное повышение эффективности преобразования энергии панелями – показатель того, сколько солнечного света может быть преобразовано в электричество.

Чем выше КПД солнечных панелей, тем дешевле электричество. Это может заставить вас задуматься: насколько эффективной может стать энергия солнца? И повлияет ли она на наши счета за электроэнергию?

В настоящее время коммерческие солнечные панели преобразуют в электроэнергию около 20-22% солнечного света. Однако новое исследование, опубликованное в журнале Nature, показало, что эффективность будущих солнечных панелей может достигать 34% за счет использования новой технологии, называемой тандемными солнечными элементами. Исследование демонстрирует рекордную эффективность преобразования энергии для тандемных солнечных элементов.

Что такое тандемные солнечные элементы?

Традиционные солнечные элементы изготавливаются с использованием одного материала для поглощения солнечного света. В настоящее время почти все солнечные батареи изготавливаются из кремния – того же материала, который лежит в основе микрочипов. Хотя кремний является зрелым и надежным материалом, его эффективность ограничена примерно 29 %.

Чтобы преодолеть это ограничение, ученые обратились к тандемным солнечным батареям, в которых два солнечных материала укладываются друг на друга, чтобы улавливать больше энергии Солнца.

В новой статье Nature команда исследователей из энергетического гиганта LONGi представила новый тандемный солнечный элемент, сочетающий кремний и перовскит. Благодаря улучшенному сбору солнечного света новый тандем перовскита и кремния достиг мирового рекорда эффективности в 33,89%.

Перовскитовые солнечные материалы, которые были открыты менее двух десятилетий назад, стали идеальным дополнением к устоявшейся кремниевой технологии. Секрет заключается в возможности настройки поглощения света. Перовскитные материалы могут улавливать высокоэнергетический синий свет более эффективно, чем кремний.

Таким образом, удается избежать потерь энергии и повысить общую эффективность тандема. Другие материалы, так называемые полупроводники III-V, также использовались в тандемных ячейках и достигли более высокого КПД. Проблема в том, что их трудно производить и они дороги, поэтому в сочетании с фокусированным светом можно создавать только небольшие солнечные элементы.

Научное сообщество прилагает огромные усилия для создания перовскитных солнечных элементов. Они развиваются феноменальными темпами: всего за 10 лет эффективность (для одной ячейки в лаборатории) выросла с 14 до 26 %. Такие достижения позволили интегрировать их в сверхвысокоэффективные тандемные солнечные элементы, продемонстрировав путь к масштабированию фотоэлектрической технологии до триллионов ватт, необходимых миру для декарбонизации производства энергии.

Тандемные солнечные элементы имеют огромный потенциал. NREL, предоставлено автором

Стоимость солнечной электроэнергии

Новые рекордные тандемные ячейки способны улавливать еще 60 % солнечной энергии. Это означает, что для производства той же энергии требуется меньше панелей, что снижает стоимость установки и площадь земли (или крыши), требуемой для солнечных электростанций.

Это также означает, что операторы электростанций будут генерировать солнечную энергию с большей прибылью. Однако из-за того, как в Великобритании устанавливаются цены на электроэнергию, потребители могут и не заметить разницы в своих счетах за электричество. Реальная разница появляется, когда вы рассматриваете солнечные установки на крышах, где площадь ограничена и пространство должно быть использовано эффективно.

Стоимость солнечной энергии на крыше рассчитывается на основе двух ключевых показателей. Во-первых, общая стоимость установки солнечных панелей на вашей крыше, а во-вторых, количество электроэнергии, которое они будут вырабатывать в течение 25 лет работы. В то время как стоимость установки легко получить, определить доходы от производства солнечной электроэнергии в домашних условиях немного сложнее. Вы можете сэкономить деньги, потребляя меньше энергии из сети, особенно в периоды, когда она стоит дорого, а также продать часть излишков электроэнергии обратно в сеть.

Однако операторы сети заплатят вам за это очень небольшую цену, поэтому иногда лучше использовать аккумулятор и накапливать энергию, чтобы использовать ее ночью. Используя средние показатели для типичного британского домохозяйства, я рассчитал денежную экономию, которую потребители могли бы получить от использования солнечной энергии на крыше в зависимости от эффективности панелей.

Чем выше КПД солнечных панелей, тем дешевле получаемая электроэнергия. IM Imagery / Shutterstock/

Когда же мы сможем купить эти новые солнечные панели?

По мере того как продолжаются исследования, прилагаются значительные усилия для расширения масштабов этой технологии и обеспечения ее долговечности. Рекордные тандемные ячейки изготавливаются в лабораториях и имеют размер меньше почтовой марки. Перенос столь высоких характеристик на площади в метр квадратный остается сложной задачей.

Тем не менее, мы добиваемся прогресса. В начале этого месяца компания Oxford PV, производитель солнечных батарей, находящийся в авангарде перовскитовых технологий, объявила о первых продажах своих новых тандемных солнечных панелей. Они успешно справились с задачей интеграции двух солнечных материалов и создания прочных и надежных панелей. Хотя до эффективности в 34 % еще далеко, их работа показывает перспективный путь для солнечных батарей следующего поколения.

Еще один момент – экологичность материалов, используемых в тандемных солнечных панелях. Добыча и переработка некоторых минералов, используемых в солнечных батареях, может быть очень энергоемкой. Помимо кремния, для правильной работы перовскитовых солнечных батарей необходимы такие элементы, как свинец, углерод, йод и бром. Соединение перовскита и кремния также требует дефицитных материалов, содержащих элемент под названием индий, поэтому для решения этих проблем еще предстоит провести множество исследований.

Несмотря на трудности, научное и промышленное сообщество по-прежнему стремится к разработке тандемных солнечных устройств, которые можно будет встраивать практически во все: автомобили, здания и самолеты.

Последние достижения в области создания высокоэффективных тандемных перовскит-кремниевых элементов указывают на светлое будущее солнечной энергетики, гарантирующее, что солнце будет играть все более заметную роль в глобальном переходе на возобновляемые источники энергии.