Альтернативні джерела енергії з часом лише набирають обертів і обіцяють якісно змінити наше життя. Що нового у цій галузі?
Ефективність сонячних батарей
Сонце щогодини покриває Землю такою кількістю фотонів, якої цілком достатньо для енергетичних потреб всього світу протягом року. Питання в тому, як ефективно перетворити їх на електроенергію. Навіть в умовах невеликих лабораторій найкращі у світі одноперехідні сонячні батареї (найбільш розповсюджений тип сонячної панелі) досягають максимально 29% ККД. Це трошки не доходить до жорсткого ліміту в одну третину, якій вчені прорахували майже півстоліття назад. Але вчені, що вивчають фотовальтику – процес перетворення сонячного світла на електроенергію – також давно підозрюють, що ця межа не настільки жорстка, як здавалося колись.
Максимальна теоретично можлива ефективність сонячних батарей, відома як межа Шоклі-Квайссера, становить від 29 до 33%, залежно від способу її вимірювання. Це передбачає одноперехідну батарею (остання зроблена з використанням лише одного типу напівпровідника і живиться від прямих сонячних променів). Щоб вийти за межу, дослідники намагалися комплектувати кілька типів напівпровідників або використовувати лінзи для концентрації світла, щоб батарея отримала заряд у сотні разів потужніший за сонце. На початку цього року Національна лабораторія поновлюваних джерел енергії встановила світовий рекорд, використовуючи 6-перехідну батарею і промінь, що у 143 разів концентрованішій, аніж сонячне проміння, щоб досягти 47.1%
Але ця технологія ніколи не буде масштабно залучена. Причина, за словами Марка Бальдо (Marc Baldo), професор електротехнічної інженерії та інформатики у MIT, полягає в тому, що ці багатошарові сонячні батареї з надвисокою ефективністю є надто складними і дорогими для виробництва. Щоб реально отримати більше сонячної енергії в електромережі, потрібно з’ясувати, як досягти межі Шоклі-Квіссера за допомогою одноперехідних сонячних батарей на основі кремнію, які порівняно прості та дешеві у виробництві. І, звісно, краще було б знайти спосіб підняти ліміт вище. І після десятиліття роботи Бальдо та його колеги, нарешті, зрозуміли, як це зробити.
Підвищення ефективності одноперехідних сонячних батарей
Як було детально викладено у статті, опублікованій у Nature, команда Бальдо покрила сонячні батареї тонким шаром тетрацену, органічної молекули, яка ефективно розділяє фотони, які надходять, надвоє. Цей процес відомий як поділ екситону й означає, що сонячна батарея здатна використовувати фотони високої енергії із синьо-зеленої частини видимого спектра.
Ось як це працює. Кремнієві сонячні батареї генерують електричний струм, використовуючи вхідні фотони, щоб вибити електрони із кремнію в мережу. Скільки енергії на це знадобиться? Це залежить від характеристик матеріалу, відомого як бендгеп. Бендгеп кремнію відповідає інфрачервоним фотонам, які несуть менше енергії, ніж фотони у видимій частині електромагнітного спектра. Фотони, що знаходяться поза бендгепом кремнію, практично витрачаються дарма. І ось тут свою роль відграє тетрацен: він розділяє синьо-зелені фотони на два «пакети» енергії, кожен з яких є еквівалентом інфрачервоного фотона. Отже, один фотон у синьо-зеленому спектрі може вибити два електрони. По суті, це отримання двох фотонів за ціну одного.
Ця нова батарея являє собою принципово новий підхід до відомого трюїзму в дослідженнях фотовальтики: якщо ви хочете перейти межу Шоклі-Квайссера, вам потрібно забирати енергію з ширшого спектра сонячних фотонів. Оскільки ця батарея не залежить від дорогого набору матеріалів з різними бендгепами, це, зрештою, може бути й більш практичним. Бальдо каже, що використання тетрацену може збільшити теоретичну межу енергоефективності до 35% – вище, ніж коли-небудь вважалося можливим для однопрохідних батарей.
Але не все так легко, як може здаватися
Хоча додавання тетрацену є концептуально простим, його реалізація дещо складніша. Причина полягає в тому, що якщо наносити тетрацен безпосередньо на кремній, вони взаємодіятимуть таким чином, що знищать електричний заряд. Більшою проблемою для Бальдо та його колег був пошук матеріалу, який можна було б прокласти між двома матеріалами, щоб енергетичні пакети могли протікати від тетрацену до кремнію. Теоретична література дала їм мало вказівок, тому команда пройшла довгий шлях спроб та помилок, щоб знайти потрібний міжфазний матеріал. Ним виявився шар оксинітриду гафнію, товщина якого становила всього 8 атомів.
Але ця батарея ще не побила жодного рекорду. Її ефективність становила близько 6% у випробуваннях, тому знадобиться чимало часу, перш ніж вона зможе конкурувати з чинними кремнієвими батареями, не кажучи вже про появу на даху. Але ця робота була задумана лише як доказ концепції поділу екситону в сонячній батареї. Для підвищення ефективності батареї, за словами Бальдо, знадобляться певні інженерні роботи, щоб оптимізувати її для поділу екситону.
Тоді навіщо це потрібно?
У цьому сенсі те, що продемонструвала команда MIT, було не стільки конкурентоспроможною технологією, скільки новим способом виходу за межі чинної фотоелектричної енергетики. Джозеф Беррі (Joseph Berry), старший науковий співробітник Національної лабораторії відновлюваної енергії вважає, що:
«Цікаво те, що це принципово інший підхід на відміну від традиційної фотовальтики. Це ідея, яка існує вже довгий час, але досі не була перетворена на будь-який функціональний пристрій».
Інші варіанти
Беррі та його колеги з NREL вивчають інші способи підвищення ефективності сонячних батарей без додаткової складності та витрат на багатоперехідні панелі. Одним з найбільш перспективних напрямків, які досліджує Беррі, є перовськітові батареї, в яких використовуються синтетичні матеріали, що мають структурні властивості, схожі на природний мінерал перовськіт. Перші сонячні батареї «Перовськіт» були випущені лише десять років тому, але відтоді вони показали швидше підвищення ефективності до будь-якого типу сонячних батарей на сьогодні.
Перовськітові батареї мають низку переваг перед традиційними кремнієвими аналогами, за думкою Беррі, зокрема їхня толерантність до дефектів матеріалу. Лише декілька небажаних частинок на кремнієвій сонячній батареї можуть вивести її зі строю, але перовськітові матеріали продовжують працювати добре, навіть якщо вони не є ідеальними. Вони також справляються з фотонною енергією ефективніше, ніж кремнієві. Дійсно, одна з головних причин, з якої кремній домінував у технології сонячних батарей полягала не в тому, що останній був найкращим матеріалом для роботи, а просто тому, що вчені так багато знають про нього завдяки його широкому використанню в цифрових технологіях.
Поки жодна з цих сонячних батарей нового покоління не знайшла свого шляху до комерційної продукції. Практично всі сонячні панелі, що зараз діють, використовують традиційні одношарові кремнієві батареї, які, як було доведено, витримують елементи протягом десятиліть. Для виходу на поле сонячних батарей на основі перовськіту потрібно буде продемонструвати, що вони стабільні й можуть служити 20 і більше років. Беррі каже, що низка компаній вже розгорнула невеликі панелі перовськіту, які прокладуть шлях для ширшого впровадження в роботу.
З огляду на майбутнє, Беррі каже, що можна вважати, що технологія поділу екситону, що розробляється на MIT, може поєднуватися з перовськітовими сонячними батареями для підвищення їхньої ефективності. Спочатку потрібно довести, що ділення екситону досить ефективне для реальних програм. Зрештою, отримання більше сонячного світла в електромережі, ймовірно, передбачатиме набір сонячних технологій, кожна з яких має свої переваги.
ВАРТО ЧИТАТИ:
Джерело: Wired