Казалось бы, всего 2% потери эффективности — это мелочь. Но в масштабах планеты этот крошечный дефект кремния «съедает» столько энергии, сколько вырабатывают 15 атомных электростанций. Британские ученые наконец-то нашли виновника.
Возобновляемая энергетика — тема, вокруг которой не утихают споры. Кто-то считает её панацеей, кто-то — дорогой игрушкой. Но есть факт, с которым вынуждены считаться все: солнечные панели (фотоэлектрические модули) стали массовым явлением. Их ставят на крышах дач, ими покрывают огромные поля, ими заряжают гаджеты.
Однако у этой технологии была одна «ахиллесова пята», о которой инженеры знали еще с 1970-х годов, но никак не могли понять её причину. Вы покупаете панель с заявленной мощностью, но в первые же часы работы на солнце её эффективность падает. Немного, но необратимо.
Спустя сорок лет исследований физики из Манчестерского университета наконец-то нашли «диверсанта» внутри кристаллов кремния. Давайте разберемся, что это за открытие и почему оно сэкономит человечеству миллиарды.
Загадочные 2 процента
Явление, о котором идет речь, называется светоиндуцированная деградация (LID — Light-Induced Degradation).
Представьте, что вы купили новый автомобиль. В салоне вам сказали, что он разгоняется до 100 км/ч за 10 секунд. Но как только вы выехали на трассу и проехали первый километр, двигатель «устал», и теперь разгон занимает 12 секунд. И так будет всегда.
Примерно это происходит с кремниевыми пластинами. В первые часы пребывания под прямыми солнечными лучами эффективность преобразования света в электричество снижается. Падение составляет около 2%.
На первый взгляд, цифра кажется смехотворной. Что такое 2% для дачника, у которого стоит пара панелей для подогрева воды? Почти ничего. Но энергетика — это наука больших чисел.
Масштаб потери: 15 АЭС впустую
Если умножить эти «ничтожные» 2% на общую площадь всех солнечных электростанций, установленных по всему миру, картина становится пугающей.
Британские исследователи провели подсчеты и пришли к выводу: человечество теряет гигаватты чистой энергии. Этот объем потерь эквивалентен полной мощности 15 атомных электростанций. Представьте себе 15 огромных промышленных объектов, которые работают вхолостую только из-за дефекта в структуре материала. Это колоссальные финансовые потери и удар по экологии, ведь недополученную энергию приходится компенсировать сжиганием угля или газа.
Охота на «электронные ловушки»
Более четырех десятилетий ученые выдвигали разные гипотезы. Было понятно, что проблема кроется в самом кремнии, но что именно происходит на атомном уровне?
Кремний для солнечных батарей не используется в чистом виде. Чтобы он проводил ток, его «легируют» (добавляют примеси). Чаще всего для этого используют бор.
Ученые из Манчестера применили метод с сложным названием — глубокоуровневая транзиентная спектроскопия. Если говорить проще: они просканировали материал, чтобы увидеть, как ведут себя электроны при изменении температуры и освещения.
Что они выяснили?
Оказалось, что под воздействием солнечного света атомы бора, добавленные для проводимости, вступают в связь с атомами кислорода (который неизбежно попадает в кремний при плавке).
Образуются так называемые «дефекты бора и кислорода». Эти соединения работают как ловушки.
Когда фотон света выбивает электрон, создавая электрический ток, этот электрон должен свободно двигаться по цепи. Но вместо этого он попадает в «силиконовую ловушку» и застревает там. Энергия света поглощается, пластина нагревается, а электричества на выходе получается меньше.
Что это меняет для нас?
Открытие причины — это 50% решения проблемы. Как только физики поняли, что виновата связка «бор-кислород», инженеры получили четкое техническое задание.
Это открытие уже меняет рынок. Вот к чему это ведет:
- Изменение технологии производства. Производители начали переходить на использование кремния более высокого качества (с меньшим содержанием кислорода) или заменять бор на другие элементы, например, галлий. Галлий не вступает в реакцию с кислородом, и деградации не происходит.
- Рост КПД. Современные панели становятся эффективнее. Если раньше стандартом КПД было 15-17%, то сейчас мы видим массовые модели с показателями 20-22% и выше.
- Долговечность. Устранение «детских болезней» кремния означает, что солнечные станции будут служить дольше без потери мощности.
Это исследование — наглядный пример того, как фундаментальная наука влияет на наш кошелек. Устранение микроскопического дефекта делает "зеленую" энергию дешевле и доступнее для всех.
А как вы относитесь к солнечной энергетике в наших широтах? Есть ли смысл ставить панели на даче или это деньги на ветер? Делитесь мнением в комментариях!