Физики Уральского федерального университета повысили эффективность солнечных панелей. Они добавили дополнительный конструкционный слой — наночастицы оксида гадолиния с ионами эрбия — на поверхность кремниевых ячеек и таким образом улучшили КПД. В лабораторных условиях прирост эффективности прототипа по сравнению с обычной кремниевой ячейкой составил 10%. Показатели панелей в окружающей среде — в дождь, с перепадами температуры и при других погодных условиях — ученые будут проверять до конца года. Особенности нового материала, его структура и показатели эффективности описаны в Journal of Luminescence. Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России по программе «Приоритет–2030».
Солнечная панель. Фото: Родион Нарудинов / УрФУ
«Мы взяли за основу кремниевые солнечные элементы, так как это «классический» вариант. У таких ячеек предел эффективности — без побочных факторов, которые ведут к потерям КПД, — 29%, — поясняет соавтор разработки, старший научный сотрудник лаборатории «Физика функциональных материалов углеродной микро- и оптоэлектроники» УрФУ Юлия Кузнецова. — Если мы говорим о многослойных (тандемных) системах, то там в зависимости от используемых материалов предел эффективности варьируется от 21% до 33%. Наша разработка подойдет и для кремниевых, и для других солнечных панелей. Дополнительный конструкционный слой поможет улучшить эффективность любых ячеек».
На сегодня разработки по повышению эффективности солнечных панелей ведутся по двум направлениям — расширению диапазона солнечного света, который участвует в преобразовании энергии, и снижению потерь при работе (к примеру, добавляют антиотражающее покрытие или светопоглощающие элементы, чтобы на ячейку попадало больше света). Материал физиков УрФУ расширяет спектральный диапазон работы ячеек.
«Аналогичные зарубежные разработки, конечно, существуют. Но там, как правило, используют другие материалы полупроводникового типа — перовскиты, которые на сегодня очень популярны. Мы пошли по другому направлению и используем диэлектрик. Особенность диэлектрика в том, что он эффективно поглощает ультрафиолетовое излучение (область низких длин волн, от 200 до 400 нанометров). Таким образом, за счет свойств диэлектрика — эффективного поглощения именно ультрафиолетового излучения — мы и расширили диапазон и повысили эффективность. В этом и заключается особенность нашей работы. Полупроводники, в свою очередь, не столь эффективно поглощают ультрафиолет и не в полной степени используют спектральный диапазон солнечного излучения», — говорит соавтор исследований доцент кафедры редких металлов и наноматериалов УрФУ Максим Машковцев.
Справка
Выбросы углекислого газа, связанные с энергетикой, в 2021 году достигли 36,6 Гт, что стало самым большим годовым ростом выбросов за всю историю. Доля в почти 75% выбросов парниковых газов пришлась на энергетический сектор, который в 2022-м выработал 38,6 млрд тонн углекислого газа, что является одним из основных факторов глобального потепления.
Для сдерживания скорости глобального потепления необходимо больше устройств, вырабатывающих «зеленую» энергетику, с более высоким КПД, уверены эксперты Международного агентства по возобновляемым источникам энергии (IRENA). Так, по данным доклада специалистов IRENA, чтобы к 2030 году температура Земли не превышала 1,5 °C, необходимо, чтобы солнечные панели вырабатывали 551 ГВт в год. На сегодня, согласно докладу World energy transitions outlook 2023, солнечные фотоэлектрические системы вырабатывают лишь 191 ГВт в год. По итогам 2022-го доля возобновляемых источников энергии (ветрогенерация, солнечная энергия и другие) составляла 19%, а площадь солнечного теплового коллектора на этот же период — 746 млн кв. метров.
Эксперты утверждают, что необходимы инвестиции в «зеленую» энергетику: на меры по улавливанию и хранению CO2, создание водородных источников энергии, развитие атомной энергетики и др. в размере 44 трлн долларов до 2050 года. Для сравнения — в 2022-м инвестиции в возобновляемые источники энергии (ВИЭ) достигли 0,5 трлн долларов, что составляет менее 1/3 среднегодовых инвестиций, необходимых в ВИЭ. Кроме того, в 2022 году 85% глобальных инвестиций в ВИЭ принесли пользу менее чем 50% населения мира, а на долю Африки, к примеру, в 2022-м пришелся лишь 1% дополнительных мощностей.
Но есть и позитивные прогнозы. Так, по данным Международного энергетического агентства (IEA), в ближайшие пять лет мир может произвести возобновляемой энергии столько же (2,383 ГВт), сколько за последние 20 лет (2,408 ГВт), обогнав уголь в качестве крупнейшего источника выработки энергии.
Информация и фото предоставлены пресс-службой Уральского федерального университета
Фото: Родион Нарудинов / УрФУ