Перспективы развития солнечной энергетики

Рязанов Кирилл Вадимович родился 14.11.1970 г.
В 1993 г. закончил Московский Энергетический институт по специальности «Полупроводниковые и микроэлектронные приборы», тема дипломной работы «Изготовление солнечных элементов на основе гетероперехода кадмий-теллур».
С 2003 г. генеральный директор ООО «Торгово-строительная компания «КМ-Сервис». Специализация: монтаж электрических кабельных систем обогрева.

С 2008 г. генеральный директор ООО «Производственная Компания «Хитлайн». Специализация: разработка и производство электрических систем обогрева, альтернативных возобновляемых источников энергии, энергосберегающих устройств и технологий.

Одной из основных проблем современной энергетики является поиск новых альтернативных возобновляемых источников электроэнергии. Приоритетным направлением в этой области является фотоэлектричество. Это связано с такими факторами, как экологическая безопасность и неограниченность запаса солнечной энергии.

Пиковая мощность фотоэлектрических станций составляет 1200 ТВт, а объем вырабатываемой энергии — 2*10¹⁰ ТВт х ч. Мировой рынок фотоэлектричества очень динамичен.

Возрастающий рынок солнечной энергетики очень перспективен. К середине века запасы нефти и газа будут близки к истощению и солнечная энергетика должна будет компенсировать сокращение объемов добычи. При этом увеличивающийся выброс двуокиси углерода в атмосферу должен привести к ускоренному развитию экологически чистой солнечной фотоэнергетики для снижения загрязнения среды и глобального потепления.

Солнечное электричество будет доминирующим источником энергии с долей приблизительно 60% к концу века благодаря практически неистощаемому ресурсу энергии Солнца. Скрытые социальные затраты на компенсацию вредного воздействия «традиционных» электростанций (болезни, уменьшение продолжительности жизни и др.) распределены на все общество и составляют 50–80% цен на энергию. Если включить эти затраты прямо в тарифы на топливо и энергию, то фотоэнергетика может стать конкурентоспособной уже на данном этапе ее развития.

В районах, не имеющих снабжения электричеством, солнечная энергия могла бы стать доминирующим децентрализованным источником энергии в этих районах благодаря ее практически неограниченному ресурсу. Чтобы сделать применение преобразователей солнечной энергии массовым предстоит решить ряд проблем:
• повысить к.п.д;
• решить проблему поддержания в идеальной чистоте гигантские поверхности солнечных панелей;
• устранить снижение эффективности солнечных панелей при их нагреве;
• увеличить срок службы солнечных панелей;
• снизить стоимость панелей.

Несмотря на экологическую чистоту получаемой энергии, сами фотопреобразователи содержат ядовитые вещества, например свинец, кадмий, галлий, мышьяк и другие, а их производство потребляет массу других опасных веществ. До сих пор не решен вопрос утилизации отработанных полупроводниковых устройств.

В настоящее время производятся следующие типы фотоэлектрических модулей.

Модули для интеграции в крыше, которые обычно выпускаются без рамки и поставляются в комплекте с конструкцией для установки на крышах. Одним из производителей таких модулей является швейцарская компания Solar Megaslate.

Модули с использованием ФЭП «Сатурн» производства BP. Уникальная технология BP Laser Groove Buried Contact позволяет получать монокристаллические кремниевые элементы с микроскопической пирамидальной структурой, которая минимизирует потери на отражение и улучшает преобразование падающего под углом к поверхности элемента света. При этом металлические контакты расположены не на поверхности ФЭП, а в специальных желобках, намного тоньше, чем в обычных ФЭП. Этот метод используется более 5 лет и постоянно совершенствуется, что позволило достигнуть КПД ФЭП 18% . В модулях BP серии «Сатурн» КПД достигает 15,5%.

Тонкопленочные модули типа CSG (crystalline silicon on Glass), которые выглядят как модули из аморфного кремния, но на самом деле являются кристаллическими. Специальный технологический процесс позволяет наносить тонкий слой кристаллического кремния (около 2мкм) прямо на стекло (толщина «обычного» ФЭП составляет 200-300 мкм). Контакты внедряются с использованием лазера и трафаретной печати. Первые фотоэлектрические модули, произведенные по такой технологии, имели КПД около 7%.

Модули с поликристаллическими ленточными элементами, в которых при производстве ленточных ФЭП кристаллы кремния не разрезаются проволочными пилами, а плавятся специальными струнами (технология Evergreen Solar). Либо применяются специальные способы выращивания кристаллов (Edge defined film-fed growth компании Schott Solar). КПД таких модулей ниже, чем обычных кристаллических модулей (не более 11,6%).

Тонкопленочные CdTe модули производят немецкая компания Antec Solar и американская First Solar LLC. Эта специальная тонкопленочная технология имеет большой потенциал для снижения стоимости фотоэлектрических модулей. КПД модулей достигает 9%. Содержание кадмия в модуле меньше, чем в обычной пальчиковой батарейке. При этом производители обещают принимать на переработку все произведенные ими «отработанные» модули. В 2005 году было произведено 29 МВт таких модулей, что составило 1,6% от общего производства фотоэлектрических модулей в мире.

Наиболее распространенная технология в мире — поликристаллические кремниевые модули. Они отличаются на вид от остальных вследствие случайной структуры кристаллов элементов. Поликристаллические ФЭП имеют более низкий КПД, чем монокристаллический, а также их КПД быстрее снижается со временем. Их ниже остальных вышеуказанных модулей и вследствие лучшего заполнения площади модуля, его КПД ненамного меньше, чем у модулей из монокристаллического кремния.

Классические тонкопленочные модули из аморфного кремния производятся на базе аморфного кремния. В отличие от кристаллического материала, здесь нет структурированного положения атомов. Поэтому у аморфного кремния более низкие полупроводниковые свойства и, следовательно, меньше КПД преобразования света. Однако для производства элементов необходимо гораздо меньше кремния и он может быть нанесен практически на любую поверхность — стекло, металл или другой материал. КПД элементов из аморфного кремния с одним слоем — около 6%. Доля модулей из аморфного кремния на рынке незначительна.

HIT элементы от Sanyo (Hetero Junction with Intrinsic Thin Layer). Гетеропереходы с внутренним тонким слоем имеют высокую эффективность преобразования. Их КПД достигает 16,8% в серийных модулях. В HIT элементах электронные дырки проходят через различные материалы. N-легированная монокристаллическая пластина покрыта тончайшим слоем нелегированного аморфного кремния с 2-х сторон (intrinsic layer). Снаружи элемент покрыт p-легированным слоем аморфного кремния, а с задней стороны — n-легированным слоем аморфного кремния. Максимальная мощность модулей HIT составляет 270 Вт.

Стандартные монокристаллические модули более дорогостоящие. По сравнению с поликристаллическими модулями они менее распространены, но они обладают более высоким КПД. В настоящее время производится модули из псевдоквадратных элементов. Монокристаллические фотоэлектрические модули имеют важное преимущество — практически неограниченный срок службы (первые фотоэлектрические станции на монокристаллических модулях работают более 20 лет без существенного изменения параметров).

Модули с задней контактной сеткой. Американский производитель солнечных элементов SunPower модули, сделанные из этих элементов с КПД 17,7%. Солнечные элементы A-300 сделаны из монокристаллического кремния высочайшего качества; их поверхность, как и у элементов BP «Сатурн», имеет пирамидальную структуру. Более того, все контакты находятся с задней стороны, поэтому вся поверхность элемента используется для преобразования энергии света. SunPower разработала очень продвинутую технологию, которая позволяет поместить как положительные, так и отрицательные контакты на задней стороне элемента. Этот элемент, который требует для изготовления сложного технологического процесса, также известен как Point Contact Cell (элемент с точечным контактом). Кроме SunPower, ФЭП немного другого дизайна с контактами на задней стороне производят Photovoltech и Q-Cells. Известно, что Sharp тоже работает над созданием такого типа элементов.

Основные компонентами CIS модулей являются медь, индий, селен, и иногда галлий (тогда элементы обозначаются как CIGS). CIS имеют наибольший КПД в группе тонкопленочных ФЭП (до 11% в модуле). Несколько компаний уже заявили о готовящемся в этом или следующем году серийном выпуске CIS модулей с общей мощностью до 62 МВт. В 2005 году, однако, было выпущено 3,5 МВт таких модулей, что составляло 0,2% от общего производства фотоэлектрических модулей.

Итоги последних лет:

Производство фотоэлементов в мире выросло до 1982,4 МВт. в 2006 г., (по данным компании Navigant consulting), что на 19% больше, чем в 2005 г., при этом в 1985 г. все установленные мощности мира составляли всего 21 МВт.

Средние годовые темпы роста фотоэлектрической энергетики с 2000 по 2005 годы в Европе превысили 40%, что делает фотоэлектрическую энергетику самой быстрорастущей отраслью. В 2005 году достигнут глобальный объем производства в 1,7 ГВт фотоэлектрических модулей. Оборот отрасли превышает 8 млрд евро, в ней работает более 70 тыс. чел.

В Германии установленные мощности выросли на 960 МВт, что на на 16% больше, чем в 2005 г. В Японии установленные мощности выросли на 296,5 МВт. В США установленные мощности выросли на 139,5 МВт (+33%). К 2005 году суммарные установленные мощности достигли 5 ГВт. Инвестиции в 2005 г. в строительство новых заводов по производству фотоэлементов составили 1 млрд $.

На рисунке 2 приведены данные по доле рынка первой десятки производителей в мире в 2004, 2005 гг.

Как видно из рис. 2, в 2006 г. десять крупнейших производителей произвели 74% фотоэлементов, в том числе: Sharp Solar — 22%; Q-Cells — 12%; Kyocera — 9%; Suntech — 8%; Sanyo — 6%; Mitsubishi Electric — 6%; Schott Solar — 5%; Motech — 5%; BP Solar — 4%; SunPower Corporation — 3%. Общая тенденция в производстве фотоэлектрических модулей — увеличение доли тонкопленочных модулей, в составе которых содержится всего около 1% кремния. Если до 2004 года модули из кристаллического кремния составляли 94,2% от общего производства модулей, в 2005 году их доля начала уменьшаться и составила 93,5%. Модули из монокристаллического кремния составляли 38,3% рынка, а из поликристаллического — 52,3%. В 2005 г. на тонкопленочные фотоэлементы приходилось 6% рынка, в 2006 г. тонкопленочные фотоэлементы занимали 7% долю рынка, в 2007 г. доля тонкопленочных технологий увеличилась до 8%. Из-за низкого содержания кремния тонкопленочные фотоэлементы дешевле в производстве, но пока имеют меньшую эффективности. Дефицит кремния начал сказываться и на производстве аморфных ФЭП. В 1999 году доля таких элементов на рынке составляла 12,3%, но в 2004 упала до 4,34%. Однако в 2005 году она поднялась до 4,7% с общей мощностью произведенных аморфных модулей 86 МВт.

В Европе стоимость выработки электричества снизилась с 55 (110)¹ евро центов /кВт.ч (1990 год) до 20 (40) евро центов/кВт.ч (2007 год) и уменьшится далее до 10 (20) евро центов/кВт.ч к 2020 году и до 5(10) евро центов/кВт.ч к 2030 году. Вышеуказанная стоимость производства электроэнергии не выходит за пределы стоимости производства крупными атомными и теплоэлектростанциями. В 2005 году в мире было произведено более 500 наименований фотоэлектрических модулей с мощностью 40 ватт и более. Всего производится более 200 наименований фотоэлектрических модулей.

Спрос по-прежнему превышает предложение не только в Германии, но и в Италии, Испании, США и других странах.

Наметилась тенденция в ограничении максимального размера фотоэлектрических модулей, чтобы модуль можно было легко установить одному человеку. Идеальная конфигурация — вес около 5 кг и размерами примерно 80*60 см.

Минимальные цены на фотоэлементы (начало 2007 г.)
• Монокристаллические кремниевые — 4,30 $/Вт установленной мощности
• Поликристаллические кремниевые — 4,31 $/Вт установленной мощности.
• Тонкопленочные — 3,0 $/Вт установленной мощности.

Стоимость кристаллических фотоэлементов на 40—50% состоит из стоимости кремния.

Прогнозы на будущее:
Кристаллические кремниевые фотоэлементы различных форм — монокристаллические (Cz-Si), мультикристаллические (mc-Si), пластинчатые — занимают более 90% рынка и, скорее всего, сохранят свое лидерство в течение следующих 10-15 лет. Остальные 10% рынка занимают тонкопленочные технологии, преимущественно на основе бескристаллического (аморфного) кремния (a-Si). Растет значимость процессов, основанных на технологии тонких пленок на других материалах — CIS (CulnSe2) и CIGS (CulnGaSe2).

Тонкопленочные модули будут доминировать на новых рынках. На рынке Германии также ожидается крен в сторону тонкопленочных фотоэлектрических модулей, вследствие постепенного снижения специальных закупочных тарифов на электроэнергию, производимую от фотоэлектрических станций, что ведет к стремлению уменьшить капитальные затраты. К 2010 г. установленная мощность сиситем на фотоэлементах достигнет 3,2—3,9 ГВт, стоимость систем снизится с 6 до 3-4 евро/Вт и станет конкурентоспособной, а выручка производителей составит 18,6— 23,1 млрд $/год.

К 2020 году установленная мощность солнечных электрических систем может достичь 259 ГВт, вырабатывая около 325 ТВт.ч, что составит около 1,8% от всего объема энергопотребления в 2020 году. Соответствующие годовые продажи фотоэлектрических установок выйдут на уровень 200 млрд евро, что приблизительно равно сегодняшним объемам продаж в полупроводниковой промышленности.

Объем в 2020 г. превысит 50 ГВт, т. е. за 20 лет объем рынка увеличится в 140 раз (в 2000 г. было произведено 280 МВт).

К 2020 году глобальный фотоэлектрический рынок достигнет 19%, что создаст потенциал в 1,9 млн постоянных рабочих мест. Фотоэлектрические системы, объединенные в сети, смогут конкурировать с ценами на электричество, полученное из традиционных источников.

Согласно прогнозу Мирового энергетического агентства (IEA), к 2030 гг. производство электроэнергии за счет фотоэнергосистем возрастет в 60 раз.

К 2040 году доля солнечной энергетики достигнет  16% от всего объема энергопотребления в 2060 году. На пути к решению поставленной задачи необходимо решить ряд технологических проблем: расход материала (Si) для монокристаллических кремневых элементов должен составлять от 10 до 7,5 г/Втп:
• для пластинчатых — от 8 до 4 г/Втп;
• толщина пластинки должна быть снижена до 300-100 м;
• потери в процессе резки пластин необходимо уменьшить до 250-150 м.
• повышение КПД монокристаллического кремния с 16,5 до 22%;
• увеличение КПД поликристаллического кремния с 14,5 до 20%;
• рост КПД ленты с 14 до 19%.
• КПД тонкой пленки должен быть в пределах 10- 15% (a-Si/mc-Si, CIS и CdTe);
• снижение стоимости производства кремневых пластинок;
• изготовление интегрированных фотоэлектрических элементов (Building Integrated Photovoltaic -BIPV) с низкой стоимостью за квадратный метр, снижение цены на 75%.
• увеличение срока службы элементов с 25 до 35 лет, например, при использовании более долговечного герметизирующего материала или новой архитектуры установок.
• стандартизация компонентов и систем.
• снижение себестоимости СЭ. Основными направлениями работ, которые должны обеспечить снижение стоимости батарей, являются: снижение стоимости исходного кремния, совершенствование оборудования и технологического процесса изготовления фотопреобразователей, увеличение объема производства фотоэнергосистем для снижения издержек производства.

Другой перспективный путь снижения стоимости солнечной электроэнергии — использование нанотехнологий для создания фотоэнергосистем с концентраторами солнечного излучения. В таких концентраторных фотоэлектрических системах стоимость электроэнергии может быть уменьшена более чем в 2 раза благодаря снижению в 1000 раз площади солнечных элементов. При этом удельный энергосъем в концентраторных фотоэнергосистемах может быть увеличен в 3 раза за счет большего КПД и обеспечения постоянной точной ориентации на Солнце.

Тонкая пленка, изготавливаемая отложением сверхтонких слоев фоточувствительного материала на недорогое основание, потенциально может существенно снизить себестоимость производства. Во-первых, затраты на материалы и энергию будут меньше, т.к. используется намного меньше полупроводникового материала, а сам процесс изготовления происходит при намного меньших температурах. Во-вторых, снижаются трудовые затраты и облегчается массовое производство, т.к., в отличие от технологий с использованием толстых кристаллов, где отдельные элементы монтируются и соединяются друг с другом, тонкая пленка изготавливается в виде больших интегрированных серийно соединенных модулей.

Последующие исследования в области материалов включают в себя дальнейшую оптимизацию ранее созданных концепций элементов, а также разработку новых концепций, таких как полимерные фотоэлементы и другие виды органических фотоэлементов. Тонкопленочные фотоэлементы, основанные на арсениде галлия (GaAs), и прочие lll-V-компоненты обладают наилучшими, известными на сегодня, коэффициентами преобразования. Хотя их стоимость выше, чем у кремниевых элементов, они идеально подходят для концентрирующих систем, где цена за единицу площади солнечных элементов не является особо важной. В лабораторных условиях удалось добиться почти 40% КПД фотоэлементов под воздействием концентрированного света и более 25% КПД концентрирующих систем. Концентрирующие системы, использующие максимально эффективные фотоэлементы, открывают новые возможности для установок средней и большой производительности в южных странах.

Список литературы
1. Maycock. International Photovoltaic Markets, Developments and Trends Forecast to 2010. — lst WCPEC, Hawaii, 1994.
2. Silicon wafers for Photovoltaics. Technical Information. Bayer Solar GmbH.
3. Sick F, Erge T. Photovoltaics in Buildings. A Design Handbook for Architects and Engineers. 1998. P. 53-67.
4. Карабанов С. М., Симкин В.В. Патент РФ № 2117983.
5. Журнал «Энергосбережение» №2 2008
6. Геополитика солнца. Частный Корреспондент. chaskor. ru (22 ноября 2008).
7. Калифорнийская электростанция «Million Solar Roofs» суммарной мощностью 3 ГВт 15.12.2005
8. Михаил Горбачев. Интервью газете «The Financial Times» 17.04.2006
9. Тенденции и перспективы развития солнечной фотоэнергетики // Физика и техника полупроводников, 2004, Т.38, вып.8, с.937-948.
10. Журнал Solardaily
11. Рынок фотоэлектрических модулей Каргиев В.М. По материалам журнала Photon International
12. Солнечные «нанобатареи» дешевле и перспективнее кремниевых http://www.3dnews.ru/news/solar_nanocells/
13. 06.08.2007 [11:50], Владимир Романченко, Источник: EE Times
14. Солнечные панели с КПД 80%, работающие даже ночью?
15. 04.02.2008 [13:35], Александр Будик. Рынок солнечных батарей: рекордные темпы роста
16. 03.04.2008 [13:02], Александр Бакаткин
17. Бюллетень «Возобновляемая Энергия», выпуск за февраль 2006 г.