Учёные из США разработали солнечные элементы с рекордным КПД: почти 50%. Тем временем другая научная группа создала солнечные батареи нового типа для космических кораблей.
Сложность для эффективности
О рекордной эффективности фотоэлементов сообщила на страницах журнала Nature Energy команда из Национальной лаборатории по изучению возобновляемой энергии (США). При естественной освещённости солнцем их детище показало КПД 39,2%. Под сконцентрированными солнечными лучами, когда освещённость превышает естественную в 143 раза, эффективность достигает 47,1%. Обе величины являются мировым рекордом для солнечных батарей.
Новый фотоэлемент состоит из шести слоёв, занимающихся собственно выработкой энергии. Каждый слой изготовлен из отдельного материала. Это фосфид алюминия-галлия-индия Al0,18Ga0,33In0,49P, арсенид алюминия-галлия Al0,23Ga0,77As, арсенид галлия GaAs и три разновидности арсенидов галлия-индия: Ga0,84In0,16As, Ga0,66In0,34As и Ga0,42In0,58As. Такое разнообразие позволяет использовать для выработки электричества фотоны с самой разной энергией.
Между этими слоями присутствуют прослойки вспомогательных веществ, так что общее число уровней в "слоёном пироге" достигает 140. При этом батарея остаётся втрое тоньше человеческого волоса.
Исследователи полагают, что дальнейшее развитие этой технологии позволит коэффициенту полезного действия преодолеть знаковую отметку в 50%.
Ключевым недостатком новой батареи является её высокая стоимость (определяемая прежде всего сложностью производства подобных фотоэлементов). Однако это препятствие можно обойти, фокусируя свет с помощью вогнутых зеркал. Как отмечает соавтор исследования Райан Франс (Ryan France), это позволит уменьшить площадь (а значит, и стоимость) фотоэлемента в сотни и даже тысячи раз.
Другой нишей для новой технологии может стать космическая промышленность. КПД стандартных кремниевых фотоэлементов сегодня составляет около 20%. Чтобы обеспечить космические аппараты энергией, приходится делать панели большой площади, а между тем требования к массе и габаритам полезной нагрузки в космосе весьма жёсткие. Поэтому разработчики наверняка не пожалеют денег на более компактные батареи той же мощности.
Космос для стойких
Кстати, о космосе. Именно там может пригодиться ещё один фотоэлемент, описанный на страницах журнала Joule большой международной исследовательской группой.
Устройство содержит два слоя. Первый состоит из перовскита и поглощает в основном кванты света. Второй состоит из соединения меди, индия, галлия и селена и вырабатывает ток благодаря инфракрасным фотонам.
КПД всей конструкции составляет 24,16%. Это не так много по сравнению с описанной выше разработкой, однако у новой батареи есть свои преимущества.
"Эта комбинация [материалов] чрезвычайно легка и устойчива к облучению. Она может подойти для применения в космической технике", – объясняет соавтор работы Стив Альбрехт (Steve Albrecht) из Берлинского центра материалов и энергии имени Гельмгольца.
Новый фотоэлемент невероятно устойчив перед протонным облучением. Это важный фактор в космосе, где аппараты непрерывно бомбардируются солнечным ветром и космическими лучами.
Даже после облучения с плотностью два триллиона протонов на квадратный сантиметр при энергии частиц в 68 мегаэлектронвольт батарея сохранила 85% своей первоначальной эффективности. Эта стойкость может очень пригодиться космическим зондам, особенно межпланетным, не защищённым магнитным полем Земли.
Кроме того, новый фотоэлемент тонок (менее пяти микрометров), гибок и сравнительно дёшев. Так что ему вполне можно найти применение и на Земле.
К слову, ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) писали о том, как российские химики повысили эффективность солнечных батарей при помощи фтора. Говорили мы и о рекорде эффективности органических солнечных батарей. Также мы писали о том, что КПД солнечной энергетики можно значительно повысить даже со стандартными фотоэлементами.
