Теоретические и практические пределы КПД солнечных батарей

Чуть ранее товарищ nabbla расписал термодинамические причины, по которым КПД солнечных батарей на Земле не может быть выше 94 (на самом деле, 96 с копейками :)) процентов.

Совершенно верная по физике, но создающая неверное впечатление "всё пропало" статья.

На самом деле, 94% КПД - дикая, безумно высокая величина, достичь которую лишь мечтают в самых сладких снах. И с практической точки зрения между 94% и 100% КПД разница в совершенно смешные и невидимые 6%, в то время как между нынешними 20-25% и этими 94% разница в практически значимые и крайне важные 3.5-4 раза.

С практической точки зрения массовое применение СБ с КПД 50% принесло бы гораздо больше пользы, чем замороки в несколько процентов с этим теоретическим пределом. Так что же мешает?

А вот и посмотрим:

1. С самого-​самого верху, светлоголубое, внутри поля с надписью "intrinsic losses" (внутренние, неизбежные потери) - это те самые неизбежные термодинамические потери из-за второго начала. Землю до -270С не охладить, Солнце выше 6000С не нагреть, законами другой Вселенной не воспользоваться - так что эти 4-6% изменить не в наших силах. Оставим это. Но что далее?

2. Далее (две секции тёмно-​синего) внутри "неизбежных потерь" - неизбежный рост энтропии на границах сред (да, всё то же второе начало термодинамики гадит).  Тема очень сложная и потенциально дискуссионная, потому что уже зависит от материалов, которые мы используем. Но примем, что раз мы используем нечто твёрдое, то оно же и нечто плотное, ну или точно сильно плотнее вакуума, то есть, от этих потерь мы не избавимся. Далее?

А далее - у-​хуу-у! 40% потерь на недопоглощении и термализации (странно, что всё в куче)! А вот это уже наше, это конструктив, с этим уже можно работать. Всё же с недопоглощения начнём:

3. Недопоглощение вызвано тем, что фотоэлемент у нас конечной толщины, свет проникает в него и частично проходит насквозь не поглощаясь. Это усугубляется тем, что кремний (наиболее массовый сейчас материал солнечных батарей) - он, собака, непрямозонный полупроводник. Простым русским матерным это означает то, что он плохо поглощает свет - внутри него нет годных готовых переходов "зона-​зона", каждое событие поглощения каждого фотона можно рассматривать сложное "совпадение" некоторых (многих) квантовых условий. Совпадения просто энергии кванта и разницы энергий зон недостаточно. Поэтому свет поглощается кремнием на толщинах порядка десятков-​сотен микрон (десятые миллиметра!). Поскольку сверхчистый кремний дорогой, задача уменьшения его расхода через толщину фотоэлемента вступает в противоречие с задачей поглотить весь свет.

Что тут можно сделать?

Ну, во-​первых, можно поставить сзади зеркало, и пусть свет проходит через слой кремния дважды. Сделано! Можно сделать зеркало таким, чтобы отражённый свет шёл бы не по нормали, а проходил бы максимальный путь. Сделано! И можно... а и всё. :) Проблема решена. :) Дальше можно только разными очень сложными мерами добирать ненужные крохи остатков, причём, эти меры будут увеличивать другие наши потери.
Во-​вторых, наиболее радикальным и правильным решением было бы взять такой полупроводник, который изначально прямозонный, просто эффективно поглощал бы свет. Даже кремний можно изнасиловать таким образом (превратив его из кристалла в стекло - т.н. "аморфный кремний", например). Но есть куча и изначально эффективных полупроводников. Это всё направление чохом называется "тонкоплёночными солнечными батареями". "Тонкоплёночными" потому, что полупроводника в них требуется в сотни-​тысячи раз меньше при той же (или бОльшей) эффективности поглощения, что ещё и уменьшает общую цену, уменьшает другие (электрические, например) потери, и вообще хорошо. А ещё эти батареи гибкие, можно наносить на дешёвые подложки и вообще здорово.

Наиболее хороши как полупроводники для тонкоплёночных СБ
- арсенид галлия (AsGa, вовсю используется для космоса, дорог, но уж очень хорош, плюс введение в состав азота и алюминия позволяет легко играть шириной зоны и легко строить многопереходные СБ),
- теллурид кадмия (CdTe, выпускались массово, в основном в Штатах, сейчас проиграли конкуренцию кремнию),
- и сложные составы из меди, цинка, индия и серы (CIG, CIGS),
- аморфный кремний.

Первые два дороги по материалам и ядовиты по материалам. Вот когда вам начинают втирать про экологическую опасность СБ, помните, что в основном - это наследие CdTe, который реально выпускался гигаваттами. И кадмий и теллур для человека неполезны, и вместе, и по отдельности - хорошие кумулятивные яды. Из-за того, что плёнки тонкие, извлекать эти (дорогие!) материалы с поверхностей - очень дорого, сложно... и неэффективно.

Соединения галлия с мышьяком тоже ядовиты, но в этом проблемы нет, потому что они очень дороги, и в массы пойдут навряд ли, уже просто по ресурсным ограничениям. Что-​то там летает в космосе, всё из себя устойчивое к радиации, и пусть себе летает далее. На нынешнем уровне технологий это не про энергетику вообще.

CIGS - это дорогой индий. Отличные полупроводники, но ресурсные ограничения.

Аморфный кремний - просто, к сожалению, фигня. Его преимущества в поглощении света с лихвой восполняются его недостатками в поглощении уже полученых электронно-​дырочных пар.

Но видно уже, сколько всяких подходов, способов борьбы за этот пункт?

4. Термализация - это несоотвествие энергии переходов "зона-​зона" энергии падующего света. Солнце светит как нагретое тело - и синим светом, и красным светом, всё сразу. Квант синего света, подобрав полупроводник, можно преобразовать в электронно-​дырочную пару и ток с напряжением где-​то 2.5В. Квант красного - с напряжением 1.1В. Беда в том, что полупроводник, который жрёт синий свет, выдавая 2.5В, красный свет просто не поглотит. А тот, что поглотит красный - поглотит и синий, но выдавая всё те же 1.1В напряжения, оставшуюся энергию же пустив просто на тепло - термолизовав.

Поэтому "обычные" однопереходные СБ (на текущий момент большинство выпускающихся, но ситуация быстро меняется в последние годы) стоЯт перед выбором - на какой границе ставить отсечку. Всё, что синее границы отсечки, будет поймано, но энергии даст по нижней границе. Умные люди ещё в 70-​мохнатых годах прошлого века приставили карандаш к носу, пощёлкали счётами и выдали, что а) лучше всего брать весь свет включая инфракрасный, и пень с ними, с потерями более синего (кремний тут почти идеален) и б) КПД больше 30% с копейками так не получить.

Эту границу - 30% КПД часто тоже поминают как "предел для СБ". Нет. Это предел для СБ с одним типом полупроводника.

Простой способ обойти это ограничение для космоса придумали давно - располагать много СБ друг над другом. Сначала - едим самое синее (выдавая всю его энергию), потом - краснее, потом - ещё краснее. Потери из-за "ступенек" всё равно есть, но ступенек много, и они плотнее закрывают горб спектра солнца. Рекордные 4-​переходные СБ в лабораториях таким образом достигли 50% КПД. О цене пока не спрашивайте - для космоса пока дороговато, на спутниках пока летают 3-​переходные.

Есть и ещё множество способов в лабораториях - красители, квантовые точки, брегговские концентраторы... Техническая фантазия у людей работает. Просто пока с экономической точки зрения всё задавил кремний, и реальные, доступные экономически решения для земной энергетики связаны почти только с ним. И вот тут сейчас во всю идёт работа над вводом второго слоя в сверхмассовые кремниевые солнечные батареи. Верхним слоем, который ест более синий свет, часто назначают кремний же, только соотвественно изнасилованый. К слову говоря, русский "Хевел" (и их питерская лаба тонких плёнок) были первыми, кто начал выпуск двухпереходных, гетерогенных (у буржуев - HIT, HJT) кремний-​кремний солнечных батарей (микроморфный кремний поверх обычного). Достигнутый в массовом производстве КПД сейчас - 23-24%, при цене такой же или ниже, чем у однопереходных.

Есть работы по добавлению вторым слоем дешёвых перовскитов или других полупроводников.

Над этим сейчас работают везде, так что КПД солнечных батарей всё ещё растёт год от года. Запас тут - огромный, до 50-70% КПД догнать принципиально можно, фундаментальных пределов нет, так что причин печалиться пока нету.

5. Темно-​синее тут - потери на отражении-​рассеянии внутри, тут борьба идёт сложная, с переменным успехом, по десятым-​сотым процента выгрызают раз от разу (и теряют при удешевлении, а потом снова выгрызают у природы). Работа идёт, пределов нет, просто всё ОЧЕНЬ сложно, потому что получая тут одно - сразу теряешь что-​то другое.

6. И, наконец, те 25-30% которые на столбке выделены цианом и обозначены как "однопереходная солнечная батарея". "Таким ротком, да медку бы хлебнуть!"(с)медведь, глядя на бегемота. Нет, реальные однопереходные кремниевые СБ сейчас по куче других мелких причин потерь очень далеки от 25% (тем более, от теоретических 30%), и НЯЗ, такой результат пока только в лабораториях. По жизни реальные лучшие массовые однопереходные СБ сейчас имеют КПД 20-22%.

Что тоже очень и очень неплохо, но всё же, до теоретического предела однопереходной СБ тут полтора раза(!) разницы.

...

В общем, подытоживая.

1. 94% - очень много, и до этого предела ещё ну о-​ооочень далеко.

2. 94% - и нафиг не надо, процентов так 70 означали бы уже, что дальнейшая охота пойдёт за крохами,

3. сейчас с 20-25% имеющихся КПД возможны улучшения во многие разы

4. теория такие улучшения СБ допускает легко, а практика (лабораторная и космическая) показывает, что 50% КПД достичь вполне возможно (а это, например, уменьшение площадей в 2.5 раза).

5. нигде не сказаное, но гигантской фигурой стоЯщее в стороне и откидывающее огромную тень на всю технику: сейчас главное у СБ цена за ватт. Даже с имеющимися 25% КПД коммерчески и массово доступных батарей уменьшение цены в десять раз радикально изменит картину энергетики, дав доступ к неограниченой и очень дешёвой энергии. Проблемы аккумуляции энергии решаются радикально легче, когда не нужно её экономить. Если аккумулятор может терять 80% энергии, то и он сам, и цикл аккумуляции могут быть очень дёшевы, технологии для этого есть.