Кратко — сравнение по ключевым физическим ограничениям и практическим проблемам для превращения солнечной энергии в электрическую: кремниевые фотопреобразователи (PV, c-Si) и термоэлектрические генераторы (TEG).
1) Теоретические пределы эффективности
- PV (однослойный кремний): верхний предел по детальному балансу (Shockley–Queisser) для одношагового поглощения под AM1.5 ~ ${\eta }_{SQ}\approx 33\%$. Практические промышленные модули: типично $15\%-22\%$, лабораторные рекорды для c‑Si ≳ $26\%$.
- TEG: максимальная термодинамическая граница — Карно ${\eta }_C=1-\frac{T_c}{T_h}$. Реальная эффективность термоэлектрического модуля связана с материалом через показатель $ZT$:
$$ZT=\frac{S^2\sigma T}{\kappa },$$ и приближённая эффективность для конечного $ZT$ (непрямой вид):
$${\eta }_{TEG}\sim {\eta }_C\cdot \frac{\sqrt{1+ZT}-1}{\sqrt{1+ZT}+T_c/T_h}.$$ Для лучших коммерческих Bi${}_2$Te${}_3$-модулей $ZT\sim 1$ при комнатных температурах, что даёт реальные ${\eta }_{TEG}$ на уровне единиц процентов (обычно $<5\%$ при небольших $\Delta T$).
2) Зависимость от температуры и рабочие условия
- PV:
- Работает за счёт фотонного возбуждения; максимальная мощность при низкой температуре. Коэффициент температурной деградации для кристаллического кремния примерно $-0.3\%÷-0.5\%$ на $1\text{K}$.
- Нагревание модуля уменьшает открытое напряжение и КПД.
- Требует прямого/диффузного света; концентрация света требует трекинга и охлаждения.
- TEG:
- Эффективность растёт с увеличением градиента температуры $\Delta T=T_h-T_c$; но карнов предел строго ограничивает.
- Для солнечной энергии нужен нагрев поглощающей поверхности и эффективное охлаждение холодной стороны — без больших $\Delta T$ КПД низкий.
- При высоких температурах многие термоэлектрические материалы деградируют; оптимальные материалы различаются по температурным диапазонам.
3) Материальные ограничения
- PV (кремний):
- Кремний — доступный, нетоксичный, зрелая технология массового производства.
- Ограничения: рекомбинация, оптические потери, слой допинга, качество поверхности; можно приближаться к пределу SQ за счёт многократных иза-структур (многозонные элементы) — но это выходит за пределы чистого c‑Si.
- Долговечность: модули стабильно работают 25+ лет, деградация (PID, LID) контролируема.
- TEG:
- Требуется материал с высоким $ZT$ — конфликт свойств: высокий электрический проводник и низкая теплопроводность одновременно трудно совместимы (Wiedemann–Franz ограничение для металлической проводимости).
- Часто используются редкие/дорогие/токсичные элементы (Te, Pb, Bi, Sb). Масштабирование потребует серьёзных сырьевых затрат.
- Наноструктурирование может повысить $ZT$ (до $\sim 2÷3$ в лаборатории), но производство таких материалов дешёвым и стабильным способом — вызов.
4) Практические проблемы масштабирования
- PV:
- Массовое производство налажено; себестоимость электроэнергии упала значительно.
- Требует площади и интеграции в сеть; производство кремния энергоёмко, но окупаемость по энергии положительная.
- Лёгкая модульность — масштаб до ГВт/ТВт уровней реализован.
- TEG:
- Для получения значимой плотности мощности по площади солнечного приёма нужна либо очень высокая концентрация лучей (чтобы поднять $T_h$), либо огромная площадь дорогостоящих термоэлектрических модулей.
- При солнечном потоке $G\approx 1000{\text{W/m}}^2$: PV при $20\%$ даёт $\sim 200{\text{W/m}}^2$. TEG при $5\%$ даст $\sim 50{\text{W/m}}^2$ (при условии, что вся энергия идёт через TEG и поддерживается $\Delta T$).
- Охлаждение холодной стороны на промышленном уровне — существенная инженерная проблема; тепловые потери излучением/конвекцией ограничивают достижимое $T_h$.
- Стоимость материалов и производство модулей делает LCOE у TEG для солнечных систем обычно значительно выше, чем у PV.
5) Надёжность и эксплуатация
- PV: долгие гарантии, механические стрессы и деградация известны и управляемы; инфраструктура обслуживания развита.
- TEG: относительно простая конструкция без движущихся частей, но термальные циклы создают механические напряжения; контактные сопротивления и стабильность сплавов под нагрузкой/температурой — проблемы.
6) Гибридные решения и применение
- Hибрид PV+TEG: идея использовать TEG на тыльной стороне PV для улавливания тепла. Практически:
- Плюс: потенциальный суммарный выход.
- Минус: ухудшение охлаждения PV повышает его температуру и снижает фотогенерацию; интеграция должна быть оптимизирована, и чистая прибыль по энергии часто мала.
- TEG лучше для: локального использования тепла/восстановления тепловых потерь (отопление, промышленность, автомобили), менее конкурентоспособен для прямого солнечного преобразования на больших площадях.
7) Краткое сравнение по пунктам (одно предложение)
- КПД: PV (c‑Si) значительно выше в практических условиях; TEG — низкий (единицы процентов) без очень больших $\Delta T$.
- Температурная чувствительность: PV теряет эффективность при нагреве; TEG требует и выигрывает от больших $\Delta T$, но ограничен карно и деградацией материалов.
- Материалы и ресурсы: кремний массов и дешёв; лучшие термоэлектрики дорогие/редкие/токсичные.
- Масштабирование: PV — промышленно масштабируемая и экономичная; TEG — дорогое масштабирование для солнечного привода, применим в нишах.
Вывод: для прямого превращения солнечной радиации в электричество на промышленном уровне кремниевые PV-технологии сегодня значительно превосходят термоэлектрические по КПД, стоимости и масштабируемости. TEG целесообразны для улавливания/рекуперации тепла или в нишевых приложениях; для конкурентоспособности в солнечных установках требуются либо радикально новые дешёвые материалы с очень высоким $ZT$, либо значительная концентрация тепла и эффективное охлаждение.