Кратко и по существу — сначала основные физические ограничения и практические проблемы, затем наиболее перспективные подходы (материальные, оптические, термические).
Что ограничивает достижение предела Шокли–Куана (SQ)
- Основные физические потери, заложенные в детальном балансе:
- Теперма-лизация фотонов (thermalization): избыток энергии фотонов $h\nu >E_g$ теряется как теплота при быстром охлаждении носителей.
- Пропуск низкоэнергетичных фотонов: фотоны с $h\nu <E_g$ не поглощаются.
- Радиационные и энтропийные потери: конечный угол солярного излучения и рассеяние снижают максимальное $V_{oc}$.
- Реальные неидеальности, снижающие КПД ниже SQ:
- Нерадиативная рекомбинация (SRH, Auger): увеличивает тёмный ток $J_0$ и уменьшает $V_{oc}$. Практически важен параметр внешней радиативной эффективности (ERE); чтобы приблизиться к SQ, нужно ERE → 1.
- Сопротивление и контакты: потери на серии/шунты уменьшают fill factor (FF) и выходную мощность.
- Оптические потери: отражение, прозрачность подложек, неидеальная световая утечка.
- Температурный рост тёмного тока: с ростом $T$ падает $V_{oc}$ ($V_{oc}\approx \frac{kT}{q}\ln (\frac{J_{sc}}{J_0}+1)$).
- Дефекты и неплотности производства: ловушки у поверхности/границ, дислокации (особенно при гетероструктурах), деградация материалов (устойчивость).
- Системные и модульные потери: затенение, mismatch, загрязнение, оптические стекла, инверторы и т.д.
- Конкретная формула, иллюстрирующая влияние тёмного тока на $V_{oc}$:
$$V_{oc}=\frac{kT}{q}\ln \left(\frac{J_{sc}}{J_0}+1\right),$$ где увеличение $J_0$ от нерадиативных каналов напрямую уменьшает $V_{oc}$ и КПД.
Перечень технологических проблем при попытке «дойти» до предела
- Достижение очень низкой плотности ловушек и высокой ERE требует кристаллов высочайшего качества и идеальной пассивации поверхности.
- Масштабирование дорогих технологий (GaAs, III‑V) на большие площади — стоимость и подложки.
- Гетероинтеграция (тандемы) требует точного согласования тепловых коэффициентов, сетки, контроля интерфейсов (lattice‑matching, термическая стабильность).
- Новые подходы (hot‑carrier, intermediate band, MEG) сталкиваются с конкурирующими быстрыми потерями (охлаждение носителей, нерадиативная рекомбинация) и сложной реализацией селективных контактов.
- Управление температурой при концентрации света (охлаждение, деградация).
Перспективные подходы для приближения к пределу (материальные, оптические, термические)
1) Материальные (улучшение рекомбинационных и электрических свойств)
- Повышение внешней радиативной эффективности (ERE): минимизировать SRH и Auger через высокое качество кристалла, чистые эпитаксиальные слои, улучшенную пассивацию поверхности и границ.
- Селективные и пассивированные контакты (carrier‑selective contacts, TOPCon, passivated contacts, heterojunction HJT) — уменьшают рекомбинацию на контактах и снижают сопротивление.
- Выбор материалов с оптимальным $E_g$ и высокой внутренней качественностью: GaAs (в лаборатории одиночные ячейки близки к пределу для своего $E_g$), перовскиты (высокий Voc, лёгкое сочетание в тандемах), Si + перовскит в тандемах для практического приближения к предельному КПД.
- Многослойные (тандемные) структуры: конструкции с двумя и более диапазонами запрещённой зоны (перовскит/Si, III‑V многоступенчатые) — самые эффективные на практике для преодоления спектральных потерь.
2) Оптические и фотонные методы
- Минимизация отражения и потерь: антирефлексные покрытия, текстурирование, обратные отражатели, световой ловушки.
- Фотонное рекомбинирование и извлечение (photon recycling, high ERE + оптическая изоляция): возвращение внутренних излучённых фотонов для повторного поглощения повышает $V_{oc}$.
- Угловая и спектральная селекция: концентраторы и спектральное разделение (spectrum splitting) повышают входной фотонный поток в оптимальные диапазоны.
- Люминесцентные концентраторы и фотонный менеджмент (up/down conversion) — обещают уменьшить потери от непринятых длин волн, но пока ограничены низкой эффективностью преобразования.
3) Тепловые и энергоуправленческие подходы
- Концентрация света (CPV): повышает $J_{sc}$ и $V_{oc}$ (за счёт увеличения инжекции), но требует термического управления и высококачественных ячеек (III‑V), а также оптики; при высокой концентрации многоступенчатые III‑V достигают рекордных КПД (> $40-47\%$ под концентрацией).
- Холодные ячейки / активное охлаждение: снижение температуры уменьшает $J_0$ и повышает $V_{oc}$, но в энергетическом балансе учёт затрат на охлаждение критичен.
- Гибридные системы PV+T (совместное собирание электро‑ и тепловой энергии) и термопреобразователи (TPV) — позволяют использовать тепловую часть спектра, повышая общую эффективность сбора энергии, но требуют сложной интеграции.
Экзотические, но перспективные направления (высокорисковые)
- Hot‑carrier solar cells: замедлить охлаждение носителей и извлечь «горячие» электроны через селективные контакты. Теоретически может превысить SQ для одного перехода, но практически охлаждение очень быстрое и контакты сложны.
- Intermediate‑band и multiple‑exciton generation (MEG): потенциально увеличивают поглощение широкого спектра, но сталкиваются с усиленной рекомбинацией и низкой практической эффективностью.
Какие подходы наиболее реалистично приближают к пределу сейчас
- Тандемы (перовскит/Si и III‑V многоступенчатые под концентрацией) — самый прагматичный и уже успешный путь для выхода за предел одиночной ячейки.
- Снижение нерадиативной рекомбинации (улучшение ERE) через пассивацию, качественные контакты и высококачественную эпитаксию — критически важно для любого материала.
- Оптический менеджмент (антирефлекс, светловые ловушки, photon recycling) — низко‑рисковая и эффективная мера для приближения к пределу.
Краткий итог
- Теоретический предел определяется фундаментальными фотоэнергетическими потерями и угловой/энтропийной структурой источника; практические реализации ограничены нерадиативной рекомбинацией, оптическими и электрическими потерями, термическими эффектами и изготовлением.
- Наиболее реалистичные и действенные пути приближения к пределу: улучшение качества материалов и пассивации (ERE→1), селективные контакты, оптический менеджмент и переход к многоступенчатым (тандемным) структурам, при условии решения задач интеграции и терморегуляции.