Один из самых распространенных вопросов, который возникает при решении установить солнечные батареи для личных нужд, является вопрос о том, какие солнечные панели являются самыми эффективными? Однако, такая формулировка не совсем верна. Прежде всего, буквальный ответ на этот вопрос для рядового потребителя не имеет значения. Попробуем разобраться почему?
На самом деле, важный вопрос не в том, как выбрать самые эффективные солнечные батареи, а в том, какие из них имеют лучшее соотношение цены и качества. Если у вас на крыше есть место для установки десяти солнечных панелей и есть выбор между солнечными панелями с условным классом энергоэффективности "A", которые немного более эффективны, но в два раза дороже солнечных панелей класса "B", то, скорее всего, с точки зрения экономии целесообразней выбрать панели класса "B". Одним словом, главная задача состоит в том, чтобы выяснить, какие варианты доступны в конкретной ситуации и проанализировать экономический эффект от каждого из них.
В любом случае, если вы действительно хотите знать самые эффективные солнечные панели (или солнечные модули), то некоторые из них приведены ниже с указанием производителя и значения коэффициента полезного действия (КПД):
- солнечные панели с эффективностью 44,4% от Sharp. Концентрирующие трехслойные солнечные модули от мирового лидера среди производителей солнечных батарей очень сложны и не используются в жилых или общественных зданиях потому, что они баснословно дороги. В основном, такие солнечные модули нашли применение в космической отрасли, где огромное значение имеет эффективность при сравнительно небольших размерах и массе;
- солнечные модули с КПД 37,9% производства Sharp. Эти трехслойные солнечные панели являются более простым аналогом предыдущих с тем отличием, что в них не применяются специальные устройства для концентрации солнечного света на модуль. Соответственно, цена таких панелей ниже на стоимость этих устройств;
- солнечные батареи с эффективностью 32,6% от испанского исследовательского института солнечной энергетики (IES) и университета (UPM). Представляют собой еще более простые двухслойные модули с концентратором солнечного света, однако их использование в жилых или общественных зданиях по-прежнему слишком дорого.
Существует около десятка или около того других видов солнечных панелей, которыми можно было продолжить этот список. Некоторые из них имеют очень высокий КПД, но их цена очень велика, в то время как другие достаточно дешевы, но имеют очень низкую эффективность. Конечно, некоторые из них неэффективны и дороги одновременно. Но, тем не менее, представляют определенный исследовательский интерес. Ключ, как отмечалось ранее, в том, чтобы найти оптимальный баланс между стоимостью и эффективностью.
Существует мнение, что сегодня гораздо меньше научных исследований посвящены солнечным батареям, нежели фотоэлементам, лежащим в основе технологии производства солнечных батарей – это то, за чем проводят время ученые многих мировых институтов и университетов. Никто даже не будет пробовать изготовить солнечную батарею, которая не будет продаваться по причине слабой товарной привлекательности ее компонентов – солнечных модулей. Сегодня на рынке существует множество различных типов солнечных батарей (точнее, солнечных модулей) самых разных производителей. Итак, давайте взглянем на лидеров в различных категориях:
- солнечные модули с КПД 36% производства компании Amonix удерживают общий рекорд производительности. Тем не менее, они сделаны с применением концентрирующих устройств, и не используются для бытовых целей;
- солнечные модули с эффективностью 21,5% от американской компании Sun Power установили коммерческий рекорд эффективности. Солнечные модули Sun Power SPR-327NE-WHT-D являются лидером по показателям эффективности по результатам полевых испытаний. Солнечные модули, занявшие второе и третье места в этом тесте, также являются разработкой компании Sun Power;
- тонкопленочные солнечные модули с эффективностью 17,4% от компании Q-Cells удерживают рекорд в этой категории. Тонкопленочные солнечные батареи широко используются, но не в жилых зданиях. Q-Cells - немецкая компания, которая в 2012 году подала на банкротство, а затем была приобретена корейской компанией Hanwha;
- тонкопленочные солнечные модули на основе кадмий-теллурового (CdTe) фотоэлектрического преобразования эффективностью 16,1% от First Solar являются лидерами в своей категории. Опять же, солнечные батареи на основе таких модулей, как правило, не используется для бытовых целей, но помогают компании удерживать высокие позиции среди производителей солнечных батарей . Американская компания FirstSolar являлась лидером по производству солнечных батарей на американском рынке и занимала второе место в мировом рейтинге в прошлом году. Несмотря на довольно небольшой КПД 16,1% в этой категории, относительно дешевые солнечные модули First Solar являются оптимальным выбором для многих отраслей;
- последний пример для демонстрации того, что список самых эффективных солнечных панелей очень длинный и не ограничивается приведенными выше экземплярами, отметим гибкие солнечные модули эффективностью 15,5% от компании MiaSole, лидирующие в этой категории. Естественно, для некоторых целей необходимы не просто солнечные батареи, а гибкие солнечные панели. Но, вероятно, это не Ваш случай...
Подводя итоги, посоветуем при выборе солнечных батарей для своих нужд не делать акцент на гипотетических и не относящихся к делу превосходствах. Забудьте о том, чтобы стараться выбрать «самые эффективные солнечные батареи
». Ищите панели, четко отвечающие конкретным целям, а не пытайтесь найти солнечные батареи, которые были разработаны для спутников НАСА.
Диаграмма, составленная национальной лабораторией возобновляемой энергии США, наглядно демонстрирует большое разнообразие технологий производства солнечных батарей и достижения каждой из них в плане эффективности.
Самые эффективные солнечные батареи для дома сегодня — это не что-то сверхнеобычное и новое, а просто отличный альтернативный источник энергии. Но чем больше устройств такого типа появляется на рынке, тем чаще люди задаются вопросом: а какое из них стоит выбрать? Эффективность какой солнечной панели максимально высокая? Но для каждого это понятие звучит словно по-разному, так как характеризуется оно целым рядом отдельных потребностей, об этом и будем говорить дальше.
Начнем с того, что главным вопросом должен быть не «Какие естьсамые эффективные солнечные панели?», а «Где оптимальное сочетание цены и качества? » Скажем, на крыше вашего дома или предприятия имеется свободное пространство, на котором можно поместить около десятка солнечных панелей, а сами вы предстали перед выбором: покупать устройства с первым классом энергоэффективности, то есть «А», или отдать предпочтение более дешевым, но менее эффективным панелям класса «В»? Возможно, ответ вас удивит, но более целесообразным в большинстве случаев будет как раз второй вариант. Если говорить проще, то основная наша задача заключается сейчас в том, чтобы определить, какой из солнечных источников энергии наиболее выгодно использовать в той или иной ситуации.
Модели самых энергоэффективных солнечных батарей
- Sharp . Показатель эффективности у моделей данной фирмы составляет 44,4 %. Производитель Sharp считается абсолютным мировым лидером по производству солнечных панелей. Эти устройства довольно сложно устроены, солнечные модули здесь трехслойные, на разработку технологии их создания производители потратили несколько лет, за такой период проведя множество исследований и испытаний собственной продукции. Есть и другие, упрощенные модели. Технология создания некоторых панелей Sharp обеспечивает им КПД величиной 37,9 %, что тоже немало. Цена устройств ниже за счет того, что в них не используются технические приспособления для концентрации солнечного света на модуль.
- Панели от испанского исследовательского института (IES) . Эффективность их работы составляет 32,6 %. Такие современные солнечные батареи с высоким КПД представляют собой устройства с двухслойными модулями, стоимость такого энергоисточника по сравнению с предыдущим производителем низкая, но для обычных жилых домов все равно это чересчур дорого и в каком-то роде бессмысленно.
На самом деле этот список можно продолжать долго, беря во внимание все более и более дешевые модели с понижающимся показателем КПД. Но все остается стандартно: высокая эффективность — соответствующая цена, низкая эффективность — стоит дешево. Случается, что по бешеной стоимости предлагают довольно простенькие модели, вы заметите это при выборе, но вернемся к нашей теме.
Знаменитые фирмы по выпуску солнечных модулей
Бытует мнение, что сегодня изучению работы солнечных панелей посвящается все меньше времени, а на передний план вышло исследование неких фотоэлементов, которые являются главными составными любой альтернативной батареи. Но в этом и суть, что никого не заинтересуют панели со слабыми солнечными модулями, на это ведь в первую очередь обращают внимание большинство покупателей. На давно устоявшемся рынке этих самых модулей уже определились лидеры, стоит сказать и о них.
- Одними из первых вспомним устройства, имеющие КПД 36 %, их выпускает фирма Amonix , продукция которой есть практически в каждом магазине с товарами такого рода. Для бытовых целей подобные модули фирмы Amonix обычно не применяются, так как производят их с использованием специальных концентрирующих устройств.
- Нельзя пройти мимо солнечных модулей с показателем энергоэффективности 21,5 %, их производителем является известная американская марка Sun Power , существующая на рынке уже довольно давно. В какой-то степени этому предприятию удалось установить своеобразный рекорд эффективности. Например, модель Sun Power SPR-327NE-WHT-D была признана лучшей после полевых испытаний. Причем следующие две позиции в рейтинге списка лучших тоже заняла продукция этой фирмы.
- Вспомним и о тонкопленочных модулях с КПД 17,4 % - продукт от Q-Cells . Устройства этой немецкой компании в какой-то момент перестали быть популярными и востребованными, Q-Cells разорилась, но потом ее выкупило корейское предприятие Hanwha и сегодня модули марки снова набирают обороты в плане продаж.
- Движемся дальше, то есть к солнечным модулям с меньшей эффективностью. 16,1 % нам дают устройства от First Solar , их производят на основе особенного кадмий-теллурового преобразования. На жилых домах приспособления такого типа не устанавливают, однако это ни в коей мере не влияет на обороты компании, а они очень широкие. First Solar в большей степени популярна на американском рынке: сама компания родом из США. Модули данного бренда используются во многих отраслях промышленности, так что фирма имеет отличные обороты и получила всеобщее признание, ведь создает реально надежный продукт.
- В качестве последнего из примеров здесь станут солнечные модули с КПД 15,5 % от фирмы под названием MiaSole . Устройства этой марки признаны лучшими среди гибких модулей. Да, именного такого типа устройства порой просто необходимы для установки в тех или иных сооружениях.
Когда вы ищете мощные солнечные батареидля дома или большого производственного цеха, ориентируйтесь не только на соотношение цена/качество, но и на марку. Производителям, которые зарекомендовали себя как лучшие, стоит доверять в таких серьезных вопросах. Если вы не специалист в сборке и установке солнечных панелей, то с какой тщательностью к выбору ни подходи, исследовать каждую модель на прочность, долговечность, экономность и прочие параметры невозможно, поэтому лучше доверять имени.
На сегодняшний день также было проведено множество экспериментов, их результаты однозначно смогут вам помочь. При поиске солнечных батарей ориентируйтесь также на собственные потребности и платежеспособность - ни к чему устанавливать на жилой дом устройство, разработка которого была сделана для НАСА.
Пришло время рассказать о том, насколько эффективна солнечная энергетика в Московской области. Целый год я собирал статистику выработки солнечной энергии с двух 100-ваттных солнечных панелей, установленных на крыше загородного дома и подключенных в сеть с использованием грид инвертора. Я уже писал об этом год назад. А сейчас пора подвести итоги.
Сейчас вы узнаете то, о чем никогда не расскажут продавцы солнечных панелей.
Ровно год назад, в октябре 2015 года, в качестве эксперимента я решил записаться в ряды «зеленых», спасающих нашу планету от преждевременной гибели, и приобрел солнечные панели максимальной мощностью 200 ватт и грид-инвертор рассчитанный максимум на 300 (500) ватт вырабатываемой мощности. На фотографии вы можете увидеть структуру поликристаллической 200-ваттной панели, но через пару дней после покупки стало ясно, что в одиночной конфигурации у неё слишком низкое напряжение, недостаточное для правильной работы моего грид-инвертора.
Поэтому мне пришлось её поменять на две 100-ваттных монокристаллических панели. Теоретически они должны быть немного эффективнее, по факту же они просто дороже. Это панели высокого качества, российского бренда Sunways. За две панели я заплатил 14 800 рублей.
Вторая статья расходов - грид-инвертор китайского производства. Производитель никак себя не обозначил, но устройство сделано качественно, а вскрытие показало, что внутренние компоненты рассчитаны на мощность до 500 ватт (вместо 300, написанных на корпусе). Стоит такой грид всего 5 000 рублей. Грид - это гениальное устройство. С одной стороны к нему подключается + и - от солнечных панелей, а с другой стороны он с помощью обычной электрической вилки подключается совершенно в любую электрическую розетку в вашем доме. В процессе работы грид подстраивается под частоту в сети и начинает "выкачивать" переменный ток (сконвертированный из постоянного) в вашу домашную сеть 220 вольт.
Грид работает только при наличии напряжения в сети и его нельзя рассматривать как резервный источник питания. Это его единственный минус. А колоссальным плюсом грид инвертора является то, что вам в принципе не нужны аккумуляторы. Ведь именно аккумуляторы являются самым слабым звеном в альтернативной энергетике. Если та же солнечная панель гарантированно отработает более 25 лет (то есть через 25 лет она потеряет примерно 20% своей производительности), то срок службы обыкновенного свинцового аккумулятора в аналогичных условиях составит 3-4 года. Гелевые и AGM аккумуляторы прослужат дольше, до 10 лет, но они и стоят в 5 раз дороже обычных аккумуляторов.
Поскольку у меня есть сетевое электричество, то мне никакие аккумуляторы не нужны. Если же делать систему автономной, то нужно добавить к бюджету еще 15-20 тысяч рублей на аккумулятор и контроллер к нему.
Теперь, что касается выработки электроэнергии. Вся энергия вырабатываемая солнечными панелями в реальном времени попадает в сеть. Если в доме есть потребители этой энергии, то она вся будет израсходована, а счетчик на вводе в дом «крутиться» не будет. Если же моментальная выработка электроэнергии превысит потребляемую в данный момент, то вся энергия будет передана обратно в сеть. То есть счетчик будет «крутиться» в обратную сторону. Но тут есть нюансы.
Во-первых, многие современные электронные счетчики считают проходящий через них ток без учета его направления (то есть вы будете платить за отдаваемую обратно в сеть электроэнергию). А во-вторых, российское законодательство не разрешает частным лицам продавать электроэнергию. Такое разрешено в Европе и именно поэтому там каждый второй дом обвешан солнечными панелями, что в совокупности с высокими сетевыми тарифами позволяет действительно экономить.
Что делать в России? Не ставить солнечные панели, которые могут выработать энергии больше, чем текущее дневное энергопотребление в доме. Именно по этой причине у меня всего две панели суммарной мощностью 200 ватт, которые с учетом потерь инвертора могут отдать в сеть примерно 160-170 ватт. А мой дом стабильно круглосуточно потребляет примерно 130-150 ватт в час. То есть вся выработанная солнечными панелями энергия будет гарантированно потреблена внутри дома.
Для контроля вырабатываемой и потребляемой энергии я пользуюсь Smappee. Я уже писал про него в прошлом году. У него два трансформатора тока, которые позволяют вести учет как сетевой, так и вырабатываемой солнечными панелями электроэнергии.
Начнём с теории, и перейдем к практике.
В интернете есть много калькуляторов солнечных электростанций, вот можно посмотреть на то, что он из себя представляет. Из моих исходных данных согласно калькулятору следует, что среднегодовая выработка электроэнергии моих солнечных панелей составит 0,66 квтч/сутки , а суммарная выработка за год - 239,9 квтч .
Это данные для идеальных погодных условий и без учета потерь на конвертацию постоянного тока в переменный (вы же не собираетесь переделывать электроснабжение своего домохозяйства на постоянное напряжение?). В реальности полученную цифру можно смело делить на два.
Сравниваем с реальными данными по выработке за год:
2015 год - 5,84 квтч
Октябрь - 2,96 квтч (с 10 октября)
Ноябрь - 1,5 квтч
Декабрь - 1,38 квтч
2016 год - 111,7 квтч
Январь - 0,75 квтч
Февраль - 5,28 квтч
Март - 8,61 квтч
Апрель - 14 квтч
Май - 19,74 квтч
Июнь - 19,4 квтч
Июль - 17,1 квтч
Август - 17,53 квтч
Сентябрь - 7,52 квтч
Октябрь - 1,81 квтч (до 10 октября)
Всего: 117,5 квтч
Вот график выработки и потребления электроэнергии в загородном доме за последние 6 месяцев (апрель-октябрь 2016 года). Именно за апрель-август солнечными панелями была выработана львиная доля (более 70%) электрической энергии. В остальные месяцы года выработка была невозможна по большей части из-за облачности и снега. Ну и не забываем, что КПД грида по конвертации постоянного тока в переменный примерно 60-65%.
Солнечные панели установлены практически в идеальных условиях. Направление строго на юг, поблизости нет высоких домов отбрасывающих тень, угол установки относительно горизонта - ровно 45 градусов. Этот угол даст максимальную среднегодовую выработку электроэнергии. Конечно можно было купить поворотный механизм с электроприводом и функцией слежения за солнцем, но это бы увеличило бюджет всей установки практически в 2 раза, тем самым отодвинув срок её окупаемости в бесконечность.
По выработке солнечной энергии в солнечные дни у меня нет никаких вопросов. Она полностью соответствует расчетным. И даже снижение выработки зимой, когда солнце не поднимается высоко над горизонтом не было бы настолько критично, если бы не... облачность. Именно облачность является главным врагом фотовольтаики. Вот вам почасовая выработка за два дня: 5 и 6 октября 2016 года. Пятого октября светило солнце, а 6 октября небо затянули свинцовые тучи. Солнце, ау! Ты где спряталось?
Зимой есть еще одна небольшая проблема - снег. Решить её можно только одним способом, установить панели практически вертикально. Либо каждый день вручную очищать их от снега. Но снег это ерунда, главное чтобы светило солнце. Пусть даже низко над горизонтом.
Итак, подсчитаем расходы:
Грид инвертор (300-500 ватт) - 5 000 рублей
Монокристаллическая солнечная панель (Grade A - высшего качества) 2 шт по 100 ватт - 14 800 рублей
Провода для подключения солнечных панелей (сечением 6 мм2) - 700 рублей
Итого: 20 500 рублей.
За прошедший отчетный период было выработано 117,5 квтч, по текущему дневному тарифу (5,53 руб/квтч) это составит 650 рублей .
Если предположить, что стоимость сетевых тарифов не изменится (на самом деле они изменяются в большую сторону 2 раза в год), то свои вложения в альтернативную энергетику я смогу вернуть только через 32 года!
А уж если добавить аккумуляторы, то вся эта система никогда себя не окупит. Поэтому солнечная энергетика при наличии сетевого электричества может быть выгодна только в одном случае - когда у нас электроэнергия будет стоить как в Европе. Вот будет стоить 1 квтч сетевого электричества более 25 рублей, вот тогда солнечные панели будут очень выгодны.
Пока же использовать солнечные панели выгодно только там, где нет сетевого электричества, а его проведение стоит слишком дорого. Предположим, что у вас его загородный дом, расположенный в 3-5 км от ближайшей электрической линии. Причем она высоковольтная (то есть потребуется установка трансформатора), а у вас нет соседей (не с кем разделить расходы). То есть за подключение к сети вам придется заплатить условно 500 000 рублей, а после этого еще и платить по сетевым тарифам. Вот в этом случае вам будет выгоднее купить на эту сумму солнечные панели, контроллер и аккумуляторы - ведь после ввода системы в эксплуатацию вам уже больше платить не нужно будет.
А пока стоит рассматривать фотовольтаику исключительно, как хобби.
Рекордсменом по КПД среди солнечных батарей, из числа так или иначе доступных на рынке сегодня, являются, разработанные Институтом гелиоэнергетических систем Общества имени Фраунгофера в Германии, солнечные батареи на базе многослойных фотоэлементов. Начиная с 2005 года, их коммерческим внедрением занимается компания Soitec.
Размер самих фотоэлементов не превышает 4 миллиметра, а фокусировка солнечного света на них достигается путем применения вспомогательных концентрирующих линз, благодаря которым насыщенный солнечный свет преобразуется в электричество с КПД достигающим 47%.
Батарея содержит четыре p-n перехода, чтобы четыре различные звена фотоэлемента могли эффективно принимать и преобразовывать излучение с конкретной длиной волны, из солнечного света, сконцентрированного в 297,3 раза, в диапазоне длин волн от инфракрасного до ультрафиолетового.
Исследователи под руководством Франка Димирота изначально поставили перед собой задачу вырастить многослойный кристалл, и решение было найдено, - они срастили подложки для выращивания, и в результате был получен кристалл с различными полупроводниковыми слоями, с четырьмя фотоэлектрическими подъячейками.
Многослойные фотоэлементы давно используются на космических аппаратах, но теперь на их основе запущены и солнечные станции уже в 18 странах. Это становится возможным благодаря совершенствованию и удешевлению технологии. В итоге, количество стран, снабженных новыми солнечными станциями, будет расти, и налицо тенденция к конкуренции на рынке промышленных солнечных батарей.
На втором месте - солнечные батареи на базе трехслойных фотоэлементов Sharp, КПД которых достиг 44,4%. Фосфид индия-галлия - первый слой фотоэлемента, арсенид галлия - второй, арсенид индия-галлия - третий слой. Три слоя разделены диэлектриком, который служит для достижения туннельного эффекта.
Концентрация света на фотоэлемент достигается благодаря линзе Френеля, как и у немецких разработчиков, - свет солнца концентрируется в 302 раза, и преобразуется трехслойным полупроводниковым фотоэлементом.
Научные исследования по развитию этой технологии непрерывно велись Sharp, начиная с 2003 года при поддержке NEDO - японской организации общественного управления, содействующей научным исследованиям и развитию, а также распространению промышленных, энергетических и экологических технологий. К 2013 году Sharp был достигнут рекорд в 44,4%.
За два года до Sharp, в 2011 году, американская компания Solar Junction уже выпустила аналогичные батареи, но с КПД 43,5%, элементы которых обладали размером 5 на 5 мм, и фокусировка также производилась линзами, концентрируя свет солнца в 400 раз. Фотоэлементы были трехпереходными на основе германия, и группа планировала даже создать пяти и шестипереходные фотоэлементы, чтобы лучше захватить спектр. Исследования ведутся компанией и по сей день.
Таким образом, максимально рекордным КПД обладают солнечные батареи, выполненные в сочетании с концентраторами, которые, как мы видим, производят и в Европе, и в Азии, и в Америке. Но эти батареи в основном изготавливаются для постройки наземных солнечных электростанций крупных масштабов и для эффективного электроснабжения космических аппаратов.
Недавно был поставлен рекорд в сфере обычных потребительских солнечных панелей, которые доступны большинству желающих снабдить ими, например, крышу дома.
В середине осени 2015 года компания Илона Маска «SolarCity» представила наиболее эффективные потребительские солнечные панели, КПД которых превышает 22%.
Этот показатель подтвердили замеры, проведенные лабораторией Renewable Energy Test Center. Завод в Баффало уже ставит план производства на каждый день - от 9 до 10 тысяч солнечных панелей, точные характеристики которых пока не сообщаются. Компания уже планирует снабжать своими батареями не менее 200000 домов ежегодно.
Дело в том, что оптимизированный технологический процесс позволил предприятию значительно снизить стоимость производства, при этом повысив КПД в 2 раза по сравнению с широко распространенными потребительскими кремниевыми солнечными панелями. Маск уверен, что именно его солнечные панели будут пользоваться наибольшей популярностью у домовладельцев в ближайшем будущем.
Кристаллическая решетка перовскита CH3NH3PbI3
Wikimedia Commons
Американские исследователи показали, что в солнечных элементах на основе перовскитов носители заряда, обладающие избыточной энергией, способны преодолевать значительное расстояние, прежде чем рассеют ее в виде тепла. Это означает, что реализовать фотоэлектрические элементы на горячих носителях, для которых теоретический предел КПД вдвое выше, чем у обычных кремниевых, на практике вполне возможно. Исследование опубликовано в журнале Science
.
В самых распространенных на сегодняшний день солнечных элементах, использующих в качестве полупроводника кремний, теоретически возможный коэффициент полезного действия едва превышает 30 процентов. Это связано с тем, что кремниевые элементы способны использовать спектр солнечного света только частично. Фотоны, обладающие энергией ниже пороговой, просто не поглощаются, а обладающие слишком высокой приводят к образованию в фотоэлементе так называемых горячих носителей заряда (например, электронов). Время жизни последних составляет около пикосекунды (10 -12 секунды), потом они «остывают», то есть рассеивают избыточную энергию в виде тепла. Если бы горячие носители удавалось собирать, это повысило бы теоретический предел КПД до 66 процентов, то есть вдвое. Несмотря на то что в некоторых экспериментах небольшое сохранение энергии удавалось наблюдать , элементы на горячих носителях пока остаются скорее гипотетическими.
Ученые из Университета Пердью и Национальной лаборатории
возобновляемой энергетики (США) внесли вклад в изучение нового перспективного
класса фотоэлектрических элементов на основе перовскитов и продемонстрировали,
что в таких элементах горячие носители не только обладают повышенным временем
жизни (до 100 пикосекунд), но и способны «пробегать» значительные дистанции в
несколько сотен нанометров (что сопоставимо с толщиной слоя полупроводника).
Металлорганические перовскиты получили свое название благодаря кристаллической структуре. Она по сути повторяет структуру природного минерала - перовскита, или титаната кальция. Химически они представляют собой смешанные галогениды свинца и органических катионов. Авторы работы использовали распространенный перовскит на основе иодида свинца и метиламмония. Исходя из того, что в перовскитах время жизни горячих носителей существенно увеличено по сравнению с другими полупроводниками, авторы решили выяснить, на какое расстояние могут переноситься горячие носители за время их остывания. С использованием ультраскоростной микроскопии исследователям удалось непосредственно пронаблюдать транспорт горячих носителей в тонких пленках перовскита с высоким пространственным и временным разрешением.
Транспорт горячих носителей в полупроводнике в течение первой пикосекунды после возбуждения
Guo et al / Science 2017
Оказалось, что медленное остывание в перовскитах сопряжено с дальностью пробега, которая составила до 600 нанометров. Это означает, что носители заряда с избыточной энергией теоретически способны преодолевать слой полупроводника и достигать электрода, то есть их возможно собирать (правда, как это реализовать технически, авторы работы не обсуждают). Таким образом, солнечные элементы на горячих носителях, возможно, удастся воплотить в жизнь, взяв за основу перовскиты.
К настоящему времени максимальный КПД, доходящий до 46%, был зарегистрирован для многослойных многокомпонентных фотоэлектрических элементов, в состав которых входит арсенид галлия, индий, германий со включениями фосфора. Такие полупроводники используют свет более эффективно, поглощая различные части спектра. Производство их очень дорого, поэтому такие элементы используются только в космической промышленности. Ранее мы писали также про элементы на основе теллурида кадмия, которые можно производить в виде гибких и тонких пленок. Несмотря на то, что общий вклад в производство электроэнергии солнечной энергетики пока не превышает 1%, темпы роста можно назвать взрывными. Особенно заинтересованы в использовании возобновляемой энергии солнца такие страны как Индия и Китай. Компания Google в конце 2016 года заявила, что в этом году собирается полностью перейти на возобновляемую энергетику.
В настоящее время в быту используются в основном кремниевые фотоэлементы, реальный КПД которых составляет 10–20 процентов. Элементы на основе перовскитов появились менее 10 лет назад и сразу вызвали к себе заслуженный интерес (о них мы уже писали ). КПД таких элементов быстро увеличивается и практически доведен до 25 процентов, что сопоставимо с лучшими образцами кремниевых фотоэлементов. К тому же они очень просты в производстве. Несмотря на технологический успех, физические принципы работы перовскитовых элементов относительно мало изучены, поэтому обсуждаемая работа ученых из США вносит важный вклад в фундаментальные основы фотовольтаики и, конечно, влечет за собой перспективу дальнейшего увеличения КПД солнечных элементов.
Дарья Спасская
