Технический прогресс и экономика (стр. 11 )

Многопереходные (каскадные) СЭ представляют собой конструкцию расположенных один под другим элементов таким образом, чтобы излучение с длиной волны, большей, чем спектральное положение края основной полосы поглощения верхнего СЭ, проходило через него и поглощалось в расположенном снизу другом СЭ, созданном на основе полупроводника с меньшей шириной запрещенной зоны. Трехпереходные СЭ на основе InGaP/GaInAs/Ge обладают уникальным на сегодняшний день КПД. Так германский Институт солнечной энергетики создал СЭ для концентрированного солнечного излучения, который при 450-кратной концентрации показал КПД 41,1 % [9]. Фирма Spectrolab (США) в августе 2009 г объявила о достижении КПД 41,6  %. СЭ чрезвычайно дорогие и в настоящее время применяются, в основном, для энергопитания космических аппаратов. (Стоимость этих СЭ в 2008 г. составляла 130 тысяч долларов за 1 м2, в то время как стоимость кремниевых была 300 долларов  за 1 м2). Для наземной энергетики экономически целесообразным может быть их использование с концентраторами солнечного излучения в странах, где высоки значения прямого потока солнечного излучения. Опытные наземные установки с СБ на основе InGaP/GaInAs/Ge с концентраторами успешно опробованы и в России [10]. ФЭС высокой мощности, которую планируют построить на севере Австралии, будет создаваться из СБ с СЭ на основе InGaP/GaInAs/Ge с концентраторами излучения.

Пути совершенствования фотоэнергетики

На сегодняшний день себестоимость электроэнергии, получаемой на ФЭС, выше ее себестоимости на ЭС традиционного типа (ТЭС, ГЭС, АЭС), что связано с высокими капитальными затратами. Перед фотоэнергетикой стоит задача добиться конкуренто-способности с традиционными ЭС. Для этого необходимо выйти на следующие критерии [11]:

КПД ФЭС в целом должен быть не менее 25 %. Срок службы должен составлять 40 лет. Стоимость установленного киловатта пиковой мощности не должна превы-шать 2 тыс. долларов.

Повышения КПД и снижения стоимости кремниевых СЭ можно добиться за счет более совершенных конструкций и тонких технологий. Стоимость кремниевых пластин может быть снижена путем использования новых энергосберегающих способов очистки металлургического кремния при получении кремния-сырца солнечного качества, снижения потерь кремния в процессе выращивания и получения пластин, а также за счет снижения толщины и увеличения размеров пластин.

Снижение толщины пластин (менее 300 мкм) в сочетании с созданием на тыльной стороне изотипного перехода и контактной сетки позволяет получать СЭ с двухсторонней чувствительностью, у которых КПД при освещении с тыльной стороны лишь на 10% меньше, чем при освещении с лицевой стороны. Такие СЭ давно и успешно работали в космосе. Наземные СБ из двухсторонних СЭ способны использовать солнечное излучение, отраженное от поверхности почвы и снега на ее тыльную сторону. Могут быть также использованы специальные отражатели, направляющие излучение на тыльную сторону. Пятилетний эксперимент с двухсторонними модулями СБ на ФЭУ мощностью 6 кВт [12] показал, что двусторонняя СБ вырабатывает энергии примерно на 7 % больше, чем односторонние. Использование тыльного концентратора дает прирост 35 %. Полагают, что КПД СЭ из кремния будет доведено в лаборатории до 30 %, в промышленности до 25 %.

Ведутся исследования по разработке следующего поколения СЭ, использующих новые физические принципы, материалы и структуры [11]. Основные усилия направлены на более полное использование всего спектра солнечного излучения и полной энергии фотонов. Для этого разрабатываются:

многопереходные СЭ из полупроводников с различной шириной запрещенной зоны; СЭ с переменной шириной запрещенной зоны; СЭ с примесными энергетическими уровнями в запрещенной зоне; СЭ, содержащие покрытия, которые преобразуют излучение той области спектра, где СЭ нечувствителен, в излучение с длиной волны, к которой СЭ восприимчив.

Новые подходы позволят в ближайшие годы увеличить КПД каскадных СЭ из полупроводниковых материалов на основе химических элементов 3 и 5 группы в лаборатории до 45 %, в производстве до 30 %. Например, предложен четырехпереход-ный СЭ со структурой InGaP/GaInAs/GaIn(NAs)/Ge. Соединение Ga0,97 In0,03 N0,02 As0,9 имеет ширину запрещенной зоны 1 эВ. При создании перехода из этого материала необходимо вводить сверхрешетку. Другой вариант четырехпереходного СЭ – струк-тура ZnTe/ZnCd(SeTe)/AlGa(AsSb)/GaSb из менее дорогих материалов. Прорабаты-ваются варианты пятипереходных СЭ. Использование концентрированного излучения позволяет не только экономить полупроводниковые материалы, но и повысить КПД СЭ.

Разработка СЭ с люминесцентными покрытиями, а также с примесными уровнями [13] пока не привела к заметным успехам в повышении КПД.

Другое направление для снижения стоимости ФЭУ – создание СЭ с невысоким КПД, но дешевых. Продолжаются работы по совершенствованию тонкопленочных СЭ из кремния. Изготовлены модули мощностью 85 Вт из каскадных СЭ микрокристалл-лический/аморфный кремний с КПД 7,7 %; КПД отдельных СЭ – более 10 %. Расход кремния для таких СЭ – 0,4 г/Вт, в то время как для кристаллических он составляет 10 - 12 г/Вт.

Ведутся разработки недорогих СЭ на основе фотоэлектрохимических преобразо-вателей. Создана разновидность этих СЭ, в которых слой электролита заменен на слой из органического материала, используемый как «проводник дырок». Теперь весь класс таких фотопреобразователей называют «СЭ, сенсибилизированными красителями», хотя использование красителей для расширения спектральной чувствительности не самое главное отличие их конструкции. КПД СЭ с фотоэлектродом из диоксида титана (TiO2) равен 10,6 %, КПД модуля площадью 25,45 см2 из этих СЭ – 8,2 %. Рекордное значение КПД СЭ с фотоэлектродом из композита TiO2-CdSe с квантовыми точками из CdSe составляет 12 %.

Ведутся интенсивные исследования органических СЭ. Основная проблема – избежать быстрой деградации. Рекордный КПД органических СЭ изготовленных немецкой фирмой Heliatek – 6,7 %. Полагают, что можно будет наладить изготовление крупногабаритных СЭ на линиях производительностью более 1000 м2/ч с исполь-зованием методов трафаретной печати [14]. Интересны варианты гибридных СЭ с использованием органических полупроводников. Можно использовать органические материалы при создании неорганических СЭ, например, разработан органический тыльный контакт к СЭ на основе CdS/CdTe.

Исследуются возможности повышения срока службы ФЭС. Срок службы полупроводниковых СЭ превышает 50 лет, так как взаимодействие фотонов с атомами и электронами не приводит к деградации кристаллической структуры и изменению скорости поверхностной и объемной рекомбинации неосновных носителей заряда. Срок службы модулей СБ ограничен из-за старения полимерных материалов – этиленвинилацетата и акриловой смолы, которые используются для герметизации СЭ в модуле. Для увеличения срока службы модулей необходимо исключить из конструкции полимерные материалы. Германская фирма Schott Solar AG выпускает модули, герметизированные с двух сторон стеклом,  с гарантией 30 лет (за  24  года  падение  мощности  составило 5,5 %). Предложена конструкция модуля, в котором СЭ помещены между двух листов стекла, соединенных по торцам пайкой или сваркой. Для снижения температуры СЭ и оптических потерь внутренняя полость модуля заполнена кремнийорганической жидкостью. Полагают, что срок службы таких модулей будет более 50 лет [11].

Для снижения стоимости и повышения эффективности ФЭС, исходя из местных условий и возможностей, могут быть применены различные конструктивные решения. В Японии предложено построить  целую сеть так называемых «Энергетических островов»: плавучих платформ шестиугольной формы из железобетона и нержавеющих металлов, которые будут производить электроэнергию с помощью ветра, волн и солнца.

Исключить зависимость выходной мощности ФЭС от погоды можно подняв СБ выше облачного слоя. Например, ФЭС может быть сделана в виде большого, горизон-тально расположенного аэростата плоской формы, на верхней поверхности которого установлены СБ. Этот аэростат связан с небольшим выводным аэростатом обычной формы, который крепится к земле тросом. Вдоль троса идет кабель, подающий электроэнергию потребителю. В другом варианте аэростат с СБ на купольной части днем генерирует электроэнергию и часть энергии тратит на подъем груза на высоту несколько километров для гравитационного аккумулирования энергии. Ночью электроэнергия вырабатывается за счет опускания груза. Третий вариант: аккумулирование дневной энергии и генерацию ночью можно осуществлять за счет опускания и подъема самого баллона аэростата.

Интенсивность исследований по самым разным направлениям фотоэнергетики не снижается. В 2008 г. затраты на НИР и ОКР в странах МЭА составили 425 млн. долл. США. Больше всех вложили США, Германия, Южная Корея и Япония.

Место фотоэнергетики в большой электроэнергетике

«Солнечное электричество будет доминирующим в выработке электроэнергии к концу 21 века и составит от половины до двух третей всей выработки электроэнергии к концу столетия» ? такое мнение бытует в мире фотоэлектричества последнее десятилетие. Оптимистическое настроение связано с внутренней оценкой возможнос-тей фотоэнергетики.

Важнейший аспект, который будет влиять на возможность фотоэнергетики вытеснить с рынка традиционные системы генерирования - это успехи или неудачи развития других альтернативных и традиционных видов.

Выбор технологий в энергетике будущего относительно невелик. В Концепции энергетической стратегии Российской Федерации до 2030 года, источники энергии, которые поменяют сложившиеся структуру электроэнергетики, определены следую-щим образом:

- ядерная энергетика на быстрых нейтронах с полным топливным циклом;

- нетрадиционные возобновляемые энергоресурсы;

- нетрадиционные невозобновляемые ресурсы (газогидраты и др.);

- возможно, термоядерная энергетика.

Среди перечисленных технологий отсутствуют ядерные реакторы на тепловых нейтронах – основа современной мировой атомной энергетики. Главная причина – близкая исчерпаемость дешевых месторождений урана. (Во многих странах создаются стратегические запасы). Серьезной проблемой являются транспортировка и захоронение радиоактивных отходов, а также конструкций самих АЭС, срок службы которых 30 - 40 лет. Что касается термоядерной энергетики, то, по мнению – в прошлом одного из наиболее энергичных сторонников термоядерной технологии, – даже в случае успеха, мощность коммерческих термоядерных реакторов к концу 21 века во всем мире не превысит 100 ГВт.