Бытиё и перспективы технологий солнечных батарей: первая часть.

Поскольку обсуждение тут часто крутится вокруг энергетики и периодически возникает вопрос о будущем солнечных батарей, часто же встречается две противоположные (и - спойлер! - категорически неверные) точки зрения.

Первая - улучшения в технологиях СБ малы, и вообще не стОят упоминания. С всеми сопутствующими мифами - от частично правдивых, например, о чрезвычайной дороговизне СБ до какого-то дикого бреда об их энергетической неокупаемости (спойлер, да, такое было - где-то в 80-е годы прошлого века, во времена, когда люди звонили друг другу по проводным телефонам, вращая особый диск на механическом прерывателе).

Вторая - противоположность. Идея о том, что СБ ничем не ограничены, и будут дешеветь, дешеветь, дешеветь, пока солнечная энергия не станет "в пять раз дешевле атомной", а последний китайский робот на сборке СБ не скопытится от своей потосмазкогонной работы. Собссно, пока нижний предел стоимости СБ не определён.

Поэтому я предлагаю посмотреть на историю технологий СБ, их прогресс, ну и немного посмотреть вглубь: почему прогресс именно там, и именно такой, и в чём вообще там сложности, какие могут быть ограничения по ресурсам, какие по технологии, где пределы роста, а где снижения, и вообще - чего ожидать-то?

Начнём с потрясающей обзорной картинки, на которой собраны все значимые технологии СБ на текущий момент и в исторической перспективе (кликабельно):

Первое, что легко заметить: рекорды сидят около 46% (реально на сейчас, осень-2017 - 47.7%). Да, это реально. Нет, это не имеет отношения к массовой технологии, потому что все верхние линии принадлежат СБ, на которые светят концентрированным светом.

Корень этого явления прост: физика полупроводников предполагает создание зарядов светом, после чего заряды растаскиваются полем pn-перехода (с исключениями и оговорками, о них позже). Беда в том, что на своём пути заряды имеют шанс скопытиться, быть поглощёнными ловушкой. Чем качественнее полупроводник - тем меньше потери, но можно поступить ещё проще: создать ТАКОЕ количество зарядов, что ловушки попросту не будут успевать переваривать их ("...в этом году засадим 1000 гектар картошкой, пусть долгоносик подавится!"). Это грубо, но суть передаёт. Почему такой простой способ повышения КПД не применяется реально? Потому что СБ нагревается на свету. Концентрация света в 400 раз подразумевает, что на 1 квадратный дециметр падает 4кВт - это в пару раз побольше, чем получает кастрюля на электрической конфорке и даже газовой плите. А при нагреве увеличивается количество способов, которыми можно профукать заряд, плюс куча других неприятностей вплоть до полной потери работоспособности. С ростом температуры КПД быстро падает, для его сохранения нужно при таком потоке энергии нужно сохранять низкую температуру и достаточно быстро оттаскивать тепло. В лаборатории для этого хорошо подходит жидкий азот, например. На крыше жидкий азот для этого плохо подходит, хотя люди вяло работают над альтернативами, всё-таки пометим: нет, это не то. И перспектив тут особых ждать не надо (проблема теплоотвода изучена таки вполне прилично, на опыте тех же ядерных реакторов или процессоров).

Кроме того, концентраторы принципиально не работают с рассеянным светом и требуют точно направлять СБ. Трекера, короче. В космосе - плевать. На Земле - нет, не плевать, это снижает практическую отдачу и повышает цену. И системы теплоотвода, и трекеры - хорошо известные, зрелые технологии, уже на пологом участке кривой своего развития. 

Посему все линии помеченные в легенде как "концентратор" сразу считаем интересными лишь для космоса лабораторными курьёзами, не для массовой энергетики. В широкой практике такие системы на Земле безнадёжно проиграли более простым системам сразу по нескольким (по нескольким - это важно!) причинам.

Смотрим далее - весь верх картинки сиреневый. На легенде это означает арсенид галлия. Что в нём такого ценного?

Придётся снова чуть копнуть в физику СБ, зато на его примере будут понятны все шаманские танцы с бубнами вокруг технологии и материалов в этой области, а также - лучше видны перспективы.

Хорошего в соединении галлия с мышьяком сразу три вещи (комбо!). 

Во-первых, это прямозонный полупроводник. Грубо: чтобы свет поглотился в ПП и создал бы отдельные электрон и дырку, должна сущестовать возможность электрону просто изменить энергию. Если это происходит без одновременного существенного изменения импульса электрона (т.н. "прямой переход зона-зона") - дело гораздо проще, оно касается лишь электрона и поглощаемого фотона. Если с изменением ("непрямой переход") - опаньки, нам нужен кто-то, кто сведёт баланс, и вероятность такого процесса сильно падает. Это означает, что прямозонный полупроводник ГОРАЗДО лучше поглощает свет с получением пар зарядов: его нужно меньше по толщине, и последующее путешествие зарядов к электродам сильно сокращается (значит, меньше шансов погибнуть по пути). В общем, хорошему для СБ полупроводнику лучше бы быть прямозонным. Популярнейший кремний вот - непрямозонный, его нужно 150-500мкм, и по-хорошему - поближе ко второму. Арсенида галлия достаточно несколько мкм - несколько длин волн, и всё, весь свет поглощён. Очень эффективно: экономит и материал, и время его нанесения.

Второе очень важное свойство (важнейшее!) полупроводника для СБ - ширина запрещённой зоны. Запрещённая зона - диапазон энергий, в которых электрон ПП не может существовать. Его невозможно туда перевести: его там и быть-то не может, тотальный запрет. Поэтому свет с энергией меньшей, чем Езз (ширина запрещённой зоны) просто не будет поглощаться с образованием зарядов. Не может. Если, скажем, у кремния Езз около 1.2В, то свет с энергией меньше 1.1эВ (ближний ИК) для кремниевой СБ на все 100% бесполезен. Всё, что краснее ближнего ИК - выкидываем. Логика подсказывает, что чем меньше Езз, тем лучше?.. Нет, есть другая сторона вопроса: каждый квант синего света несёт больше энергии, чем красного. А внутри СБ при поглощении полезной для нас станет только энергия равная Езз, остальное будет рассеяно в тепло. То есть, если посветить сине-зелёным светом с энергией 2.2 эВ на кремний, из него будет использовано только 1.1эВ. Половина. То есть, чем меньше Езз, тем больше света мы можем переработать, но тем меньше мы можем использовать из света бОльшей энергии, более синего, чем надо. Если на СБ посветить мощным лазерным светом с энергией примерно равной Езз её полупроводника, то КПД СБ будет потрясающим - для обычной кремниевой СБ - почти 90%! Но вот реальные доступные источники света не такие... Солнце даёт свет всех цветов и энергий - полную радугу и далеко за ней. Вот такую:

Представьте, что кремниевая СБ откидывает весь чёрный хвост справа, а плюс к этому ещё и слева всё рубит сверху. Поэтому, даже если мы соорудим идеальную СБ с Езз как у кремния, её КПД в идеале будет около 36%. Увы, слишком маленькая Езз, заточенная под куда более красную звезду. Зато вот арсенид галлия под солнце заточен почти идеально. Почти...

И тут сразу же возникает третье его преимущество: его Езз легко менять. Если галлий в составе понемножку заменять на алюминий, и/или мышьяк - на азот, то можно получить практически любую Езз (что и демонстрируют арсенид-галлиевые сверхъяркие светодиоды самых разных цветов: там Езз определяет в обратную сторону - в какой свет будет превращена электронно-дырочная пара). Арсенид-галлиевая СБ может легко иметь оптимальную Езз.

Поэтому его быстрый и крутой старт в незапамятные времена был ожидаем, да и сейчас СБ для космоса или отвественных применений - это он. Крутой материал.

Что в нём плохого? Почему он не заполонил мир?

Потому что он тупо дорог. Дорог галлий, дорог мышьяк, дороги методы их очистки. Что ещё хуже - производство обоих исходных элементов является побочным, у них нет собственных значимых месторождений. Например, галлий связан с алюминием и переработкой бокситов (не всяких). Радикально увеличить переработку бокситов экономически невозможно без увеличения выработки алюминия, а его и так производят много, и тут всё-таки есть разумные пределы. 

Можно ли всё-таки кое-что подвинуть? Можно. Далеко не все отвалы перерабатываются.

Но арсенида галлия сейчас еле хватает на электронику (силовую, СВЧ, где он тоже очень рулит из-за сверхвысокой подвижности электронов и способности работать при высокой температуре) и светодиоды. Светодиоды сейчас - почти на 100% арсенид галлия, а их нужно МНОГО. И понадобится ещё больше. Пока выкидывать килотонны AsAl/AsGa/GaN на СБ Человечество просто не может: нет лишних килотонн, и напротив - спрос на материал растёт так, что приходится мучаться с заменителями (впрочем, касательно силовой и СВЧ электроники есть некоторые успехи). 

Во второй части - о технологии многопереходных СБ на примере того же арсенида галлия (как рекордных) - почему это хорошо, и почему их так мало? И далее, парадоксально, вниз по рекордам КПД - но к более перспективным технологиям.