СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ТРАДИЦИОННЫХ И ТАНДЕМНЫХ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ: ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ, ЭФФЕКТИВНОСТЬ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
Keywords:
фотовольтаика, предел Шоккли-Квиссера, тандемные солнечные элементы, галогенидный перовскит, кристаллический кремний, термализация носителей заряда, рекомбинация Шокли-Рида-Холла, токовое согласование, LCOE.Abstract
В настоящей статье представлен комплексный, детализированный сравнительный анализ традиционных однопереходных солнечных элементов на основе кристаллического кремния (c-Si) и высокоэффективных многопереходных (тандемных) фотоэлектрических структур, с особым акцентом на монолитные перовскит-кремниевые архитектуры (2T конфигурации). В условиях, когда доминирующая на рынке кремниевая технология вплотную приблизилась к своему фундаментальному термодинамическому пределу Шоккли-Квиссера (максимум ~29.4% для стандартного спектра AM1.5G), тандемные элементы рассматриваются как безальтернативный драйвер следующего технологического уклада в возобновляемой энергетике. Подробно освещены физические механизмы работы тандемных структур: способность широкозонного перовскита эффективно поглощать высокоэнергетические фотоны с генерацией высокого напряжения (Voc), что позволяет радикально минимизировать потери на термализацию горячих носителей заряда, в то время как нижний кремниевый каскад утилизирует прошедшее длинноволновое излучение. В работе проведено всестороннее сопоставление технологий по ключевым физико технологическим параметрам: термодинамической эффективности (лабораторные рекорды >33.9% у тандемов против 26.8% у монокремния), температурным коэффициентам, деградационной стабильности и сложности промышленного производства. Выявлены и систематизированы критические барьеры на пути к массовой коммерциализации тандемных модулей, включая ионную миграцию галогенидов, проблемы инкапсуляции, токсичность свинца и трудности прецизионного масштабирования однородных пленок на текстурированных пластинах большой площади (форматы M10/G12). На основе анализа сформулированы научно обоснованные прогнозы по преодолению данных барьеров и экспоненциальному снижению нормированной стоимости электроэнергии (LCOE) в перспективе до 2035 года, что сыграет решающую роль в достижении глобальных целей углеродной нейтральности.
Downloads
References
1. Shockley W., Queisser H. J. Detailed balance limit of efficiency of p-n junction solar cells // Journal of Applied Physics. - 1961. - Vol. 32, № 3. - P. 510-519. DOI: 10.1063/1.1736034.
2. Green M. A., Dunlop E. D., Yoshita M. [et al.]. Solar cell efficiency tables (Version 62) // Progress in Photovoltaics: Research and Applications. - 2023. - Vol. 31, № 7. - P. 651-663. DOI: 10.1002/pip.3726.
3. Liu J., Aydin E., Yin J. [et al.]. Perovskite/silicon tandem solar cells with bilayer interface passivation // Science. - 2022. - Vol. 377, № 6603. - P. 302-306. DOI: 10.1126/science.abq7652.
4. Chin X. Y., Turkay D., Steele J. A. [et al.]. Interface passivation for 31.25% efficient perovskite/silicon tandem solar cells // Science. - 2023. - Vol. 381, № 6653. - P. 59-63. DOI: 10.1126/science.adg0091.
5. Aydin E., Ugur E., Yildirim B. K. [et al.]. Enhanced optoelectronic coupling for perovskite/silicon tandem solar cells // Nature. - 2023. - Vol. 623, № 7988. - P. 732 738. DOI: 10.1038/s41586-023-06667-4.
6. Meng L., Zhou Y. [et al.]. Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells: Insights and Outlooks // ACS Energy Letters. - 2024. - DOI: 10.1021/acsenergylett.4c00172.
7. Jost, M., Kegelmann, L., Korte, L., & Albrecht, S. Monolithic Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells: Pathways to Over 30% Efficiency // Advanced Energy Materials. - 2020. - Vol. 10, № 26. - P. 1904102. DOI: 10.1002/aenm.201904102.
8. Werner, J., Niesen, B., & Ballif, C. Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells: Marriage of Convenience or True Love Story? - An Overview // Advanced Materials Interfaces. - 2018. - Vol. 5, № 1. - P. 1700731. DOI: 10.1002/admi.201700731.
9. Kavdia, P. [et al.]. High-efficiency tandem solar cells with perovskite top cell: A review of fundamental physics and scaling constraints // Renewable and Sustainable Energy Reviews. - 2022. - Vol. 158. - P. 112111. DOI: 10.1016/j.rser.2022.112111.
10. Leijtens, T., Bush, K. A., Prasanna, R., & McGehee, M. D. Opportunities and challenges for tandem solar cells using metal halide perovskite top cells // Nature Energy. - 2018. - Vol. 3, № 10. - P. 828-838. DOI: 10.1038/s41560-018-0190-4.
Downloads
Published
Issue
Section
License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
License Terms of our Journal
