Превышен теоретический предел эффективности солнечных элементов

Энергия

Редакция сайта «Технологические инновации» — 9 октября 2025 г.

Команда уже готовит образцы своей технологии для испытаний в условиях реального космического полета. [Фото: Чжиган Ли/Бинцин Вэй]

Предел Шокли-Квайссера

На протяжении более 60 лет в отношении эффективности солнечных элементов господствует своего рода закон физики, который гласит, что ни один солнечный элемент не сможет иметь эффективность преобразования света в электричество более 33,7%.

Известный как предел Шокли-Квайссера , этот теоретический максимум эффективности солнечных элементов был установлен в работах Уильяма Шокли (1910-1989) и Ханса-Иоахима Квайссера (1931-2025).

Предел SQ существует из-за фундаментальных и неизбежных потерь в процессе преобразования света в электричество, включая потери на термализацию, потери при передаче, потери на рекомбинацию и т. д. - более сложные солнечные элементы (гетеропереход) могут достигать гораздо более высокой квантовой эффективности , но это несколько отдельных элементов, объединенных в единую структуру.

Однако Чжиган Ли и Бинцин Вэй из Шанхайского университета Цзяотун в Китае только что экспериментально продемонстрировали эффективность от 50 до 60 процентов при использовании однопереходных кремниевых солнечных элементов.

Рекордная эффективность преобразования энергии была достигнута за счет подавления тепловых колебаний атомов в атомной решетке кремния с использованием очень низких температур, от 30 до 50 К (-243,15 и -223,15 ºC).

Более того, учёные продемонстрировали, что увеличение глубины проникновения света может эффективно смягчить замерзание электронов, расширяя диапазон рабочих температур кремниевых ячеек до 10 К (-263,15 °C) — ниже 150 К (-123,15 °C) обычные солнечные ячейки разрушаются, когда электроны попадают в ловушку.

Рекордная эффективность преобразования энергии 50–60% была достигнута в кремниевых солнечных элементах благодаря подавлению тепловых колебаний атомов решетки. [Изображение: Чжиган Ли/Бинцин Вэй]

Готов к космосу

Таким образом, помимо фактического удвоения эффективности при комнатной температуре, это открытие открывает практический путь к созданию более эффективных солнечных панелей в криогенных условиях и глубоком космосе. Например, роботам и транспортным средствам, предназначенным для работы на Южном полюсе Луны, потребуется энергия с температурой в диапазоне 30–40 К.

«Понимание этих новых наблюдений открывает огромные возможности для проектирования солнечных элементов с еще более высокой эффективностью преобразования энергии, чтобы обеспечить эффективные и мощные источники энергии для криогенных устройств, а также для исследований дальнего и дальнего космоса», — написал дуэт.

Чтобы воспользоваться своим открытием, исследователи уже изготавливают ячейки площадью 4 ^см2 , соответствующие стандартам, готовым к использованию в космосе, испытывая их в условиях быстрого термоциклирования (20–300 К) и облучения протонами с энергией 1 МэВ, что должно позволить создать прототипы, соответствующие стандартам коммерческой полезной нагрузки НАСА для полетов на Луну.

Другие новости о:

Больше тем