Почему КПД солнечных панелей не превышает 20%

Солнечные панели на крышах преобразуют в электричество около 20–22% падающего на них солнечного света. Это звучит как провал. Лучшие кремниевые элементы, когда-либо созданные в лаборатории, достигают 26–27%, а абсолютный теоретический потолок для кремниевого элемента — идеальное производство, отсутствие дефектов, никаких потерь — составляет около 33%. Таким образом, коммерческие панели работают неплохо. Они близки к пределу. И этот предел не является инженерной проблемой. У полупроводника есть пороговое значение. Электронам необходима минимальная энергия — ширина запрещенной зоны — чтобы перейти в состояние, в котором они могут проводить ток. Для кремния это около 1,1 эВ. Каждый приходящий фотон либо преодолевает этот порог, либо нет, и в обоих случаях происходит потеря энергии. Ниже порога: эти фотоны вообще не могут возбудить электрон. Они проходят сквозь кремний, как если бы он был стеклом. Для кремния это примерно пятая часть поступающей солнечной энергии, которая исчезает еще до начала каких-либо процессов. Выше порогового значения: фотон освобождает электрон, а избыточная энергия в течение пикосекунд отводится в кристаллическую решетку в виде тепла. Синий фотон несет около 3 эВ энергии по сравнению с 1,1 эВ у кремния, поэтому две трети энергии сразу же становятся тепловыделением. Каждый фотон, превышающий пороговое значение, уменьшается до порогового значения, независимо от его энергии. Это самая большая потеря, около 30%. И обе потери зависят от одного и того же числа. Уменьшение ширины запрещенной зоны приводит к большему поглощению инфракрасного излучения, но к большей потере каждого фотона. Увеличение ширины запрещенной зоны приводит к меньшей потере каждого фотона, но к большей потере спектра. Нет настройки, которая бы решала обе проблемы, поскольку вы подбираете одно число к определенному распределению. Шокли и Квейссер провели расчет в 1961 году: пиковая эффективность при ширине запрещенной зоны 1,34 эВ составляет 33,7%. Кремний находится на уровне 1,12 эВ — это не оптимально. Кроме того, он имеет непрямую запрещенную зону, что делает его плохим поглотителем, поэтому ячейки должны быть толщиной в несколько сотен микрометров, тогда как арсенид галлия справляется с этим за пару. В любом случае, около 95% используемых панелей изготовлены из кремния, поскольку для микроэлектроники уже существовала целая индустрия очистки и производства кремниевых пластин. Кремний победил благодаря цепочке поставок, а не своим характеристикам. В видео также рассматривается часть, которую большинство объяснений пропускают: почему освобожденный электрон не просто возвращается обратно, как легирование с обеих сторон перехода создает постоянное одностороннее поле без внешнего источника питания, почему переход сортирует заряд, а не создает его, и почему солнечная батарея на самом деле представляет собой очень большой и очень тонкий диод. А также как преодолеть предел — перестать использовать один пороговый уровень, использовать многослойные материалы, и теперь сертифицированный рекорд для тандема перовскит-кремний составляет 34,85% — и почему эффективность панелей снижается по мере нагревания. ИСТОЧНИКИ Шокли, У. и Квейссер, Х.Дж., «Предел эффективности солнечных элементов p-n-перехода, определенный методом детального баланса», Журнал прикладной физики 32, 510 (1961) Стандартные источники по пределу Шокли-Квейссера: пик 33,7% при 1,34 эВ в условиях AM1.5G Сертифицированные NREL рекорды эффективности; тандем перовскит-кремний LONGi с эффективностью 34,85% (2025) Стандартные источники по физике полупроводников о непрямых запрещенных зонах и глубине поглощения в кремнии по сравнению с GaAs Опубликованные температурные коэффициенты для кристаллических кремниевых модулей