Предел Шокли — Кайссера для эффективности солнечного элемента

Эффективность промышленных фотоэлектрических модулей и элементов неуклонно растёт в течение последних нескольких лет и приближается к эффективности лучших лабораторных образцов. Но есть фундаментальные термодинамические ограничения, за которые эти устройства невозможно протолкнуть обычными методами. Одним из важнейших таких ограничений является так называемый предел Шокли-Квайссера.

На протяжении десятилетий исследований это был абсолютный предел КПД для прямого  преобразования солнечного света в электричество. Согласно этому пределу в полупроводниках с одним p-n-переходом эффективность преобразования солнечного излучения никогда не может превышать 34%.

Лучшие лабораторные фотоэлементы с одним p-n-переходом обеспечивают эффективность порядка 25,5%-26,1%. У нас не так много возможностей для дальнейшего улучшения эффективности преобразования, о чём свидетельствует тот факт, что КПД лучших устройств на базе кремния увеличился на менее чем 2% за последние двадцать лет. Это связано с тем, что промышленные кремниевые фотоэлементы, как и все фотоэлементы с одним переходом подвержены фундаментальному механизму потери энергии при облучении — термализации.

Полупроводники имеют фиксированную ширину запрещённой зоны, которая определяет, какая часть солнечного спектра может быть преобразована солнечным элементом: фотоны с энергией меньше ширины запрещённой зоны не поглощаются, а энергия фотонов, превышающая ширину запрещённой зоны, теряется в виде тепла. Эта «проблема ширины запрещённой зоны» ведёт к компромиссу при выборе ширины запрещённой зоны между поглощением как можно большего количества света и извлечением (экстракцией) носителей заряда с максимально возможным электрическим потенциалом. Кроме того, неизбежны потери при этой экстракции, связанные с балансом между сбором носителей с высоким электрическим потенциалом и сбором этих носителей до их рекомбинации.

Если энергия падающего фотона превышает ширину запрещённой зоны, фотон может быть поглощён с образованием пары электрон-дырка. Но поглощение фотона с более высокой энергией  также генерирует только одну электронно-дырочную пару, так же, как и в случае поглощения фотона с низкой энергией.  Дополнительная энергия фотонов выше запрещённой зоны теряется из-за термализации. Дело в том, что электрон, образованный в результате воздействия кванта света с энергией выше ширины запрещённой зоны, имеет некоторую избыточную кинетическую энергию. Такие электроны называют «горячими». Двигаясь в веществе, «горячий» электрон теряет энергию при взаимодействии с молекулами среды до тех пор, пока его энергия не станет порядка тепловой, т.е. он термализуется. При этом на любом этапе потери энергии электрон может рекомбинировать с ионом. В этом и заключается один из основных механизмов  электрических потерь в солнечных элементах.

Можно ли сделать солнечные батареи с КПД большим, чем предел КПД Шокли-Квайссера?

В настоящее время развивается несколько путей преодоления потерь от термализации в стремлении обойти предел Шокли-Квайссера. Наиболее популярными из них являются  технологии производства фотоэлементов с несколькими p-n-переходами, а также множественная экситонная генерация.

Фотоэлектрические элементы с несколькими p-n-переходами (многопереходные фотоэлементы) являются наиболее успешным примером «костыля» для обхода предела Шокли-Квайссера со значениями эффективности выше 45%. Многопереходные фотоэлектрические элементы широко применяются и уже плотно укоренились на рынке фотовольтаики. Их недостатком являются высокие производственные затраты, но в настоящее время найдены и совершенствуются методы удешевить технологические процессы. В 2022 году почти все ведущие производители объявили гонку за эффективностью и все больше и больше модулей производятся по новым технологиям — в первую очередь HJT (гетеоростуктурные) и TopCon. См. нашу статью «Современные солнечные элементы и модули» для более подробной информации. На сентябрь 2022 года рекорд эффективности в модуле принадлежит китайской компании Longi, которая выпускает солнечные модули с КПД 26,81%.

При множественной экситонной генерации (МЭГ) фотоэлемент поглощает один фотон из видимого спектра солнечного излучения и производит два или более электронов. Говоря просто, в стандартных фотоэлектрических элементах каждый фотон «выбивает» только один электрон, а избыточная энергия фотона, которой вполне могло бы хватить на большее, расходуется на повышение температуры материала. Благодаря процессу МЭГ мы можем заставить фотоны видимой области спектра высвобождать по два и более электрона. Этот процесс сейчас нашёл активное применение и в фотоэлектрохимическом получении «зелёного» водорода, что не может не радовать.

МЭГ в полупроводниковых нанокристаллах широко исследовался в прошлом десятилетии, но для текущего поколения материалов производительность этого процесса недостаточно высока. Процесс аналогичный МЭГ, называемый делением синглетных экситонов (singlet fission — SF), происходит в органических полупроводниках и показывает большие перспективы на сокращение термализации в будущем. Экситоны — это мнимые частицы (квазичастицы), возникающие в результате поглощения молекулой энергии фотона. Основное, невозбужденное состояние атома считается синглетным. При поглощении фотона атом может перейти в первое возбужденное состояние (триплетное), следующая ступень — снова синглетное, но уже возбужденное состояние (возбуждённое синглетное состояние). Синглетный экситон — это состояние синглетного атомного возбуждения, которое при некоторых расчетах тоже может быть рассмотрено как квазичастица.

В области исследований синглетного деления за последние несколько лет было получено много захватывающих результатов, которые пролили свет на фундаментальную квантовую механику и взаимосвязь структурных функций, определяющих процесс. Теперь перед научным сообществом стоит задача развивать и использовать полученные знания для разработки не только новых материалов, но и новых способов использования процесса синглетного деления для улучшения эффективности преобразователей. Неорганические фотоэлектрические элементы усиленные синглетным делением могут быть реализованы в ближайшем будущем и дадут реальный импульс в развитии фотовольтаики.

Таким образом, сегодня предел Шокли-Квайсера возможно преодолеть двумя вышеописанными способами, но пока лучшие показатели эффективности лабораторных солнечных элементов с одним p-n-переходом составляют 27,8% — для арсенида галлия и 26,7% — для монокристаллического кремния (по данным NREL).

Теория

В физике используется предел Шокли — Кайссера (также известный как предел детального баланса, Предел эффективности Shockley-Queisser или Предел SQ, или в физическом выражении предел радиационной эффективности ) — максимальная теоретическая эффективность солнечного ячейки, использующая pn переход для сбора энергии от ячейки, где единственным механизмом потерь является излучательная рекомбинация в солнечном элементе. Впервые он был рассчитан Уильямом Шокли и Хансом-Йоахимом Кайссером в Shockley Semiconductor в 1961 году, что дало максимальную эффективность 30% при 1,1 эВ. Этот первый расчет использовал спектр черного тела 6000K как приближение к солнечному спектру. В расчетах использовались измеренные глобальные солнечные спектры (AM1.5G) и было включено зеркало на задней поверхности, увеличивает максимальную до 33,7% для солнечного элемента с шириной запрещенной зоны 1,34 эВ. Предел является одним из наиболее важных факторов для производства солнечной энергии с помощью фотоэлектрических элементов и считается одним из наиболее важных факторов в области.

Предел КПД заключается в том, что максимум эффективность преобразования солнечной энергии составляет около 33,7% для фотоэлектрического элемента с одним pn-переходом, другими типичными условиями солнечного света (неконцентрированный, AM 1,5 солнечный спектр ) и с учетом других положений и предположения обсуждаемые ниже. Этот максимум происходит при ширине запрещенной зоны 1,34 эВ. То есть из всей мощности, составляющей в солнечном свете (около 1000 Вт / м), падающей на идеальный солнечный элемент, только 33,7% этой мощности можно было бы когда-либо превратить в электричество (337 Вт / м). Самый популярный материал солнечных элементов, кремний, имеет благоприятную ширину запрещенной зоны 1,1 эВ, что обеспечивает максимальную эффективность около 32%. Современные коммерческие монокристаллические солнечные элементы производят около 24% эффективности преобразования, в основном связаны с практическими проблемами, такими как отражение от передней части элемента и блокировка света от тонких проводов на поверхности элемента.

Предел Шокли — Кайссера применяется только к обычным солнечным элементам с одним p-n переходом; солнечные элементы с несколькими слоями переходом могут превзойти этот предел, так же как и солнечные тепловые и некоторые другие системы солнечной энергии. В крайнем пределе для многопереходного солнечного света соответствующий предел составляет 86,8% при использовании концентрированного солнечного света.

Литература

1. Теоретические положения изложены в статье Предел Шокли — Кайссера — Shockley–Queisser limit.
2. Статья по моделированию SQL

 

Эта статья прочитана 4916 раз(а)!

Продолжить чтение