Солнечная революция

В гелиоэнергетику идёт дешевая и технологичная металлоорганика
21.06.2018
Дмитрий Людмирский

Мир болен гелиоэнергетикой. Солнечные электростанции (СЭС), фотоэлектрические модули на крышах домов, питающие всю бытовую электронику, транспорт на солнечной энергии - это уже не только перспективные исследования, но реальные направления бурно развивающейся промышленной отрасли. Причем Россия в этой области не только не отстает, но прорвалась на самый передний край. Что заставляет солнечную энергетику развиваться с головокружительной скоростью, какие перемены нас ждут в жилищном строительстве, из чего будут сделаны солнечные батареи будущего.

Еще несколько лет назад основными производителями гелиопанелей были Япония, США и ряд стран Европы. Сейчас подавляющая часть их производства сосредоточилась в Китае: эта страна долгое время занималась отраслевым демпингом и добилась успеха. Лишь два завода по производству солнечных батарей сохранились в Европе: один в Италии, другой в России. Завод по производству солнечных батарей компании "Хевел" находится в Новочебоксарске и производит как классические солнечные модули, так и полугибкие и гибкие элементы, которые можно встраивать в любые конструкции.

- По совокупности природно-климатических факторов потенциал развития солнечной энергетики в России в разы превышает запланированные показатели, - рассказал "Известиям" генеральный директор компании "Хевел" Игорь Шахрай. - Центральная часть России по уровню инсоляции ничем не уступает Германии, европейскому лидеру в области солнечной энергетики. А огромные территории Урала, Сибири и Дальнего Востока по этому показателю значительно превосходят южноевропейские регионы. Не забудем и про юг России, где количество солнечных дней в году достигает 300.

По оценке Игоря Шахрая, российские производители при поддержке на внутреннем рынке могли бы обеспечить от 1 до 5% мирового производства солнечных модулей, несмотря на чрезвычайно острую конкуренцию в мире.

- Еще два года назад наша страна сильно отставала по эффективности и стоимости новых разработок в области солнечной энергетики, - рассказал "Известиям" директор Научно-технического центра тонкопленочных технологий в энергетике Дмитрий Орехов. - Но благодаря господдержке возобновляемой энергетики, вызвавшей в нашей стране стремительный рост производства модулей, возник спрос на разработку новых технологий и поиск новых материалов.

НЕСГИБАЕМЫЙ КРЕМНИЙ

Магистральное направление современной гелиоэнергетики - фотовольтаика, технология непосредственного преобразования энергии в электрическую. Она основана на фотовольтаическом эффекте: при попадании света на некоторые полупроводниковые структуры между их частями возникает разность потенциалов, которую можно использовать для получения электричества. Этот принцип лежит в основе работы абсолютного большинства СЭС и домашних преобразователей солнечной энергии.

Материалов для фотовольтаики предложено великое множество, но пока самым главным остается кремний - тот самый, который используется для изготовления электронных микросхем. Кремниевая фотовольтаика опять же бывает очень разной, но 90% рынка занимают сегодня кристаллические технологии производства солнечных модулей. Наиболее эффективная их разновидность - кремниевые гетероструктуры: на тонкую подложку из монокристаллического кремния наносится кремний аморфный, который хорошо поглощает свет. Между слоями этого бутерброда возникает p-n-переход, как в транзисторе, который с помощью энергии света собирает электроны (отрицательные заряды) в верхнем слое, а дырки (положительные заряды) - в нижнем. Остается только снять это напряжение с помощью электродов и подать его в аккумулятор, накапливающий электроэнергию.

КПД таких элементов, то есть та доля солнечной энергии, которую с их помощью удается превратить в электрическую, составляет сейчас в лабораторных условиях 25-26%, а в реальных коммерческих устройствах - 18-23%. Это очень много: никакая другая технология фотовольтаики к этим показателям пока даже не приблизилась.

Но КПД не единственный ключевой показатель для солнечных модулей: не менее важна стоимость квадратного метра готового модуля. Для современной батареи, изготовленной по описанной технологии, она составляет в среднем $50-60.

УТОНЧЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Главный недостаток кремниевой - мейнстримной - технологии: модули получаются очень хрупкими. Поэтому пришлось изобрести солнечные батареи второго поколения - основанные на тонкопленочных технологиях. Ученым удалось найти такие фотоэлектрические материалы, которые можно напылять на гибкую подложку, сгибать ее, придавать ей любую форму без ущерба для функциональности.

Одним из таких материалов оказался классический полупроводник арсенид галлия. Он дает высокий - до 30% - КПД, но, увы, чрезвычайно дорог: $30-50 тыс. приходится заплатить за квадратный метр батарейки на его основе. Подобные цены могут устроить разве что космическую отрасль.

Пришлось искать подешевле. Нашли два неорганических соединения - кадмий-теллур и селенид меди-индия-галлия (CIGS). Они дают сравнительно невысокий КПД - 10-15%. Но при напылении на тонкие пленки они феноменально экономичны: в полтора раза дешевле кремниевых.

Это второе поколение солнечных батарей - CIGS и кадмий-теллур-уже продается и занимает сейчас те 10% рынка, которые недобирает кремний. Но беда этих технологий в том, что кадмий-теллур токсичен, а индий и селен трудно утилизируются. Поэтому тонкопленочные солнечные батареи-любимая "добыча" гринписовцев и других защитников природы.

ОРГАНИЧЕСКИЙ ПОДХОД

И тут на сцену выходит третье поколение солнечных батарей - устройств, основанных на органических материалах. Им нет еще и десяти лет, они нигде пока не производятся в промышленных количествах. Но динамика научных исследований в этой области позволяет вполне уверенно говорить о том, что будущее фотовольтаики за третьим поколением и в первую очередь за фотоэлектрическими преобразователями на основе материала под названием перовскит.

Первый такой элемент был создан японскими учеными в конце первого десятилетия нашего века. Он прожил не более получаса и имел КПД всего 3%.

- В процессе изучения данного соединения и улучшения архитектуры самого перовскита учеными всего мира удалось поднять КПД до 22% менее чем за десять лет, и потолок еще не достигнут, - рассказал "Известиям" руководитель лаборатории перспективной солнечной энергетики Национального исследовательского технологического университета "МИСиС" Альдо Ди Карло.-У кремния на достижение КПД более 20% ушло лет 40-50.

Стоимость одного ватта энергии для кремниевых солнечных батарей составляет примерно полдоллара. Ожидается, что для перовскитной фотовольтаики этот показатель составит менее 20 центов. Побеждают перовскиты и по стоимости квадратного метра солнечной панели: менее $20 против $50-60 для кремния.

Перовскитная фотовольтаика сочетает высокий КПД с возможностями тонкопленочных технологий: фотоэлектрический слой можно напылять практически на что угодно, печатая солнечные батареи, как на струйном принтере. Одна беда: перовскиты все еще остаются недостаточно стабильными. Молекула перовскита быстро распадается под воздействием света. Сейчас срок жизни высокопроизводительной солнечной батареи на основе перовскита составляет не более года.

- Теперь нужно заниматься инженерией молекулы, искать оптимальный состав материала, - пояснил "Известиям" ведущий инженер лаборатории перспективной солнечной энергетики Данила Саранин.

По мнению Данилы Саранина, ожидать выхода перовскитных - дешевых, эффективных и технологичных - солнечных батарей на рынок можно уже в начале 2020-х годов, и это будет означать революцию в гелиоэнергетике.

Революция эта коснется в первую очередь градостроительства. Технология печати фотоэлектрических элементов на гибких подложках позволит облепить жилое или офисное здание солнечными батареями со всех сторон. Причем не только снаружи, но и изнутри: энергию внутреннего освещения тоже можно использовать повторно. Если, например, обклеить стены офиса солнечными пленками, как обоями, то вырабатываемой энергии хватит на питание беспроводных устройств, всевозможных датчиков и даже на подзарядку телефонов.

На фасадах же зданий солнечные батареи будут развешаны, как рекламные баннеры. Окна зданий тоже превратятся в солнечные панели: со стороны они будут выглядеть как тонированное стекло, но эта тонировка в дневное время будет производить электроэнергию, достаточную для ночного освещения.

СПРАВКА

Сегодня суммарное производство солнечной энергии в мире превышает 400 ГВт. В течение следующих пяти лет этот показатель, по прогнозам экспертов, достигнет 1 тераватт (1000 гигаватт). Два ключевых фактора - снижение себестоимости выработки солнечной электроэнергии и повышение эффективности солнечных модулей - сохранят тренд на стремительный прирост новых мощностей солнечной генерации.

В России, благодаря государственной программе развития возобновляемых источников энергии, уже построены станции, мощностью более 250 МВт, а ежегодный прирост новых мощностей солнечной генерации составляет порядка 240 МВт. Таким образом к 2024 году в России будут построены солнечные электростанции мощностью 1,7 ГВт.

По оценке директора информационно-аналитического центра «Новая энергетика» Владимира Сидоровича, к 2050 году в России 20% электроэнергии будет вырабатываться СЭС и солнечными батареями.

Источник: Известия

Читайте другие наши материалы