Отметим, что повышение КПД с 25 до 50% означает двукратный рост мощности при сохранении размеров.
В основе изобретения, сделанного в рамках сотрудничества сразу трех исследовательских центров (Исследовательские лаборатории ВМФ США, Имперский колледж Лондона и компания MicroLink Devices Inc.) — многослойный «бутерброд» из нескольких слоев полупроводниковых материалов между металлическими электродами. Впрочем, если считать что «несколько» это от двух до пяти, то наше определение неточно, в новых солнечных батареях слоев одиннадцать. Зачем так много?
Для ответа на этот вопрос расскажем кратко про то, как работают солнечные батареи. Это полупроводниковые устройства, в которых энергия падающего кванта света тратится на то, чтобы перебросить электроны из одного состояния в другое, причем это происходит лишь тогда, когда энергии кванта достаточно для электронного скачка. Причем достаточности энергии мало, нужно чтобы ее еще и не было слишком много — ультрафиолетовые кванты полезного выхода не дадут, хотя их энергии хватило бы с избытком.
В обычных батареях из-за этого ограничения большая часть света пропадает попусту, а в многослойных есть несколько разных материалов, подобранных в расчете на кванты с разной энергией, то есть на свет разного цвета. Один слой использует энергию красного цвета, второй — зеленого, третий — синего; теоретически КПД подобных комбинаций может достигать даже отметки в 87%… но это теория. На практике возникают такие проблемы, как, скажем, обеспечение прозрачности слоев, да и просто изготовление с заданной точностью таких сложных структур в промышленных масштабах, тысячами квадратных метров в год по более-менее приемлемым ценам.
Новая разработка, о которой сообщается на официальном сайте лабораторий ВМФ США, пока не является готовым технологическим рецептом для массового производства — но говорится, что при концентрации солнечных лучей КПД батареи перевалит за отметку в 50%. Так как минимум два разработчика из трех раньше в откровенном прожектерстве замечены не были, есть резон взять это заявление на заметку и посмотреть, что будет через три года. Ведь именно к этому сроку нам обещают показать уже не концептуальную схему, а готовую технологию.
Неизбежные потери
Потери энергии в солнечных батареях происходят за счет целого ряда процессов, от части которых избавиться в принципе невозможно. Например, солнечные фотоэлементы неизбежно нагреваются и, в полном соответствии с законами физики, излучают часть поглощенной энергии — на этом теряется сразу около 7% мощности. Далее в самом полупроводнике носители заряда одного типа («дырки» — вполне, кстати, официальный термин) сталкиваются с носителями заряда другого типа (то есть обычными электронами) и нейтрализуют друг друга до того, как совершить полезную работу — это еще около 10% в случае с кремнием. Добавьте сюда описанную выше избирательную чувствительность фотоэлементов и вы поймете, почему даже лучшие батареи для космических аппаратов впустую тратят две трети энергии.
Мечта экологов?
Еще один серьезный недостаток солнечных батарей — это то, что многие используемые полупроводниковые материалы либо сами по себе небезопасны (в новой разработке используются соединения мышьяка), либо требуют токсичных реагентов для производства. Поэтому назвать их абсолютно безопасными для окружающей все же нельзя — впрочем, как и любой известный человечеству источник электроэнергии.