16+
Регистрация
РУС ENG
http://www.eprussia.ru/epr/386/4447203.htm
Газета "Энергетика и промышленность России" | № 06 (386) март 2020 года

Ученые повысили эффективность солнечных батарей

Наука и новые технологии Татьяна РЕЙТЕР, по материалам портала indicator.ru 197

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.


Возобновляемые источники энергии (ВИЭ)

Похожие Свежие Популярные