Кредит: Шаттерсток
За последние два десятилетия технология солнечных панелей достигла огромного прогресса. Фактически, самые совершенные кремниевые солнечные элементы, производимые сегодня, примерно настолько хороши, насколько это возможно.
Ну и что дальше? Познакомьтесь с «тандемными солнечными элементами» — новым поколением солнечных технологий. Они могут преобразовывать гораздо большую часть солнечного света в электричество, чем обычные солнечные элементы.
Эта технология обещает ускорить глобальный переход от загрязняющих источников производства энергии, таких как уголь и газ. Но есть серьезная загвоздка.
Как показывает наше новое исследование, опубликованное в журнале Energy & Environmental Science, существующие тандемные солнечные элементы должны быть переработаны, если они хотят производиться в масштабах, необходимых для того, чтобы стать технологией, позволяющей сохранить климат, в которой нуждается планета.
Солнечная история до сих пор
Солнечная батарея — это устройство, которое превращает солнечный свет в электричество. Одним из важных показателей, когда речь идет о солнечных элементах, является их эффективность — доля солнечного света, которую они могут преобразовать в электричество.
Почти все солнечные панели, которые мы видим сегодня, сделаны из «фотоэлектрических» кремниевых элементов. Когда свет попадает на кремниевую ячейку, электроны внутри нее создают электрический ток.
Первый кремниевый фотоэлектрический элемент, продемонстрированный в 1954 году в США, имел КПД около 5%. Это означает, что из каждой единицы солнечной энергии, полученной клеткой, 5% превратилось в электричество.
Но с тех пор технология развилась. 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. Это происходит главным образом потому, что отдельный материал может поглощать лишь ограниченную часть солнечного спектра.
Чтобы повысить эффективность и, таким образом, продолжать снижать стоимость солнечной электроэнергии, необходимы новые технологии. Вот тут-то и приходят на помощь тандемные солнечные элементы.
Многообещающий новый скачок
В тандемных солнечных элементах используются два разных материала, которые вместе поглощают энергию солнца. Теоретически это означает, что клетка может поглощать больше солнечного спектра и, следовательно, производить больше электричества, чем если бы использовался только один материал (например, один только кремний).
Используя этот подход, зарубежные исследователи недавно достигли эффективности тандемных солнечных элементов в 33,7%. Они сделали это, построив тонкий солнечный элемент из материала под названием перовскит непосредственно поверх традиционного кремниевого солнечного элемента.
Тандемные солнечные элементы не смогут обогнать существующие технологии (на фото), если они не будут модернизированы. Кредит: Шаттерсток
Традиционные кремниевые солнечные панели по-прежнему доминируют в производстве. Но ведущие производители солнечной энергии заявили о планах коммерциализации технологии тандемных элементов.
Таков потенциал тандемных солнечных батарей, они готовы обогнать традиционные технологии в ближайшие десятилетия. Но расширение будет остановлено, если технология не будет переработана с использованием новых, более распространенных материалов.
Проблема материалов
Почти все тандемные солнечные элементы имеют конструкцию, известную как «кремниевый гетеропереход». Солнечные элементы, изготовленные таким способом, обычно требуют больше серебра и большего количества химического элемента индия, чем другие конструкции солнечных элементов.
Но серебро и индий — дефицитные материалы.
Серебро используется в тысячах применений, включая производство, что делает его очень востребованным. Фактически, 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 чрезвычайно редок и встречается лишь в виде крошечных следов.
Этот дефицит пока не является проблемой для тандемной солнечной технологии, 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 стать серьезным препятствием на пути решения проблемы изменения климата. К середине столетия мир должен будет установить в 62 раза больше солнечной энергии, чем построено в настоящее время, чтобы обеспечить переход к экологически чистой энергетике.
Очевидно, что для обеспечения такого экспоненциального ускорения развертывания солнечной энергии 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 клетки совместимыми с тандемной технологией. К счастью, эта работа уже началась, но необходимо больше.
Дефицит материалов – не единственное препятствие, которое необходимо преодолеть. Тандемные солнечные элементы также необходимо сделать более долговечными. Солнечные панели, которые мы видим сегодня повсюду, обычно гарантированно производят приличное количество электроэнергии в течение как минимум 25 лет. Тандемные элементы перовскит-на-кремнии не живут так долго.
Солнечная энергия уже потрясла производство электроэнергии в Австралии и во всем мире. Но в борьбе за борьбу с изменением климата это только начало.
Исследования тандемных солнечных батарей поистине глобальны и проводятся в ряде стран, включая Австралию. Эта технология открывает многообещающий путь вперед. Но материалы, из которых они изготовлены, должны быть срочно пересмотрены.
Информация журнала: Энергетика и экология, предоставлено The Conversation
Эта статья переиздана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.
Специальная подборка для Вас