За последние два десятилетия технология производства солнечных панелей достигла огромного прогресса. На самом деле, самые совершенные кремниевые солнечные элементы, производимые сегодня, примерно настолько хороши, насколько позволяет технология.
Итак, что же дальше? Введите «тандемные солнечные элементы», новое поколение солнечных технологий. Они могут преобразовывать гораздо большую часть солнечного света в электричество, чем обычные солнечные элементы.
Технология обещает ускорить глобальный переход от загрязняющих источников производства энергии, таких как уголь и газ. Но есть одна серьезная загвоздка.
Как показывает наше новое исследование, опубликованное в журнале Energy & Environmental Science, существующие тандемные солнечные элементы должны быть переработаны, если мы хотим, чтобы они производились в масштабах, необходимых для того, чтобы стать технологией, сберегающей климат, в которой нуждается планета.
Солнечная история до сих пор
Солнечный элемент — это устройство, которое превращает солнечный свет в электричество. Одним из важных показателей, когда речь заходит о солнечных элементах, является их эффективность — доля солнечного света, которую они могут преобразовывать в электричество.
Почти все солнечные панели, которые мы видим сегодня, изготовлены из «фотоэлектрических» кремниевых элементов. Когда свет попадает на кремниевый элемент, электроны внутри него вырабатывают электрический ток.
Первый кремниевый фотоэлектрический элемент, продемонстрированный в 1954 году в Соединенных Штатах, имел КПД около 5%. Это означает, что на каждую единицу солнечной энергии, которую получал элемент, 5% превращалось в электричество.
Но с тех пор технология получила развитие. В конце прошлого года китайский производитель солнечных батарей LONGi объявил о новом мировом рекорде эффективности кремниевых солнечных элементов — 26,81%.
Кремниевые солнечные элементы никогда не смогут преобразовывать 100% солнечной энергии в электричество. В основном это происходит потому, что отдельный материал может поглощать лишь ограниченную часть солнечного спектра.
Чтобы помочь повысить эффективность — и, таким образом, продолжать снижать стоимость солнечной электроэнергии — необходимы новые технологии. Вот тут-то и пригодятся тандемные солнечные элементы.
Многообещающий новый скачок
Тандемные солнечные элементы используют два разных материала, которые вместе поглощают энергию солнца. Теоретически это означает, что элемент может поглощать больше солнечного спектра — и, следовательно, вырабатывать больше электроэнергии, — чем при использовании только одного материала (например, только кремния).
Используя этот подход, исследователи за рубежом недавно добились эффективности тандемных солнечных элементов на уровне 33,7%. Они сделали это, создав тонкий солнечный элемент из материала, называемого перовскитом, непосредственно поверх традиционного кремниевого солнечного элемента.
Тандемные солнечные элементы не смогут превзойти существующую технологию (на фото), если они не будут переработаны. Фото: Shutterstock
Традиционные кремниевые солнечные панели по-прежнему доминируют в производстве. Но ведущие производители солнечных батарей заявили о планах коммерциализации технологии тандемных элементов.
Таков потенциал тандемных солнечных элементов, что в ближайшие десятилетия они готовы превзойти традиционные технологии. Но расширение будет сорвано, если технология не будет переработана с использованием новых, более распространенных материалов.
Проблема материалов
Почти все тандемные солнечные элементы имеют конструкцию, известную как «кремниевый гетеропереход». Для солнечных элементов, изготовленных таким образом, обычно требуется больше серебра и химического элемента индия, чем для других конструкций солнечных элементов.
Но серебро и индий — дефицитные материалы.
Серебро используется в тысячах применений, включая производство, что делает его очень востребованным. На самом деле, мировой спрос на серебро, как сообщается, вырос на 18% в прошлом году.
Аналогичным образом, индий используется для изготовления сенсорных экранов и других интеллектуальных устройств. Но он встречается крайне редко и встречается лишь в крошечных количествах.
Этот дефицит пока не является проблемой для технологии tandem solar, поскольку она еще не производилась в больших объемах. Но наше исследование показывает, что этот дефицит может ограничить способность производителей наращивать объемы производства в будущем.
Это может представлять собой существенное препятствие на пути борьбы с изменением климата. К середине столетия мир должен установить в 62 раза больше солнечных электростанций, чем построено в настоящее время, чтобы обеспечить переход к чистой энергетике.
Очевидно, что для обеспечения такого экспоненциального ускорения внедрения солнечных батарей срочно необходима серьезная модернизация тандемных солнечных элементов.
Ускорение перехода
Некоторые кремниевые солнечные элементы не используют индий и требуют лишь небольшого количества серебра. Срочно необходимы исследования и разработки, чтобы сделать эти ячейки совместимыми с технологией tandem. К счастью, эта работа уже началась, но требуется нечто большее.
Нехватка материалов — не единственное препятствие, которое необходимо преодолеть. Тандемные солнечные элементы также должны быть сделаны более долговечными. Солнечные панели, которые мы сегодня видим повсюду, как правило, гарантированно вырабатывают приличное количество электроэнергии в течение как минимум 25 лет. Тандемные элементы из перовскита на кремнии служат не так долго.
Солнечная энергия уже повлияла на производство электроэнергии в Австралии и во всем мире. Но в гонке за решением проблемы изменения климата это только начало.
Исследования тандемных солнечных элементов носят поистине глобальный характер и проводятся в целом ряде стран, включая Австралию. Эта технология предлагает многообещающий путь вперед. Но материалы, используемые для их изготовления, должны быть срочно пересмотрены.
