25.03.2015

Российские физики представят солнечный элемент на основе нобелевских разработок

Солнечный элемент на основе кристаллического кремния с очень высоким КПД – в 27% – разрабатывает группа учёных Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН.

О том, как удаётся приручить энергию Солнца и кому это может быть выгодно, в интервью корреспонденту рассказал заместитель генерального директора ООО «Научно-технический центр тонкопленочных технологий в энергетике при ФТИ имени А. Ф. Иоффе» Евгений Теруков.

- Евгений Иванович, ваша команда участвует одновременно и в производстве, и в разработке солнечных элементов. Что выпускается, а что только в проекте?

- Структура простая. Базовая компания – ООО «Хевел» (совместный проект ОАО РОСНАНО и ГК РЕНОВА), имеющая завод в Новочебоксарске, который производит по швейцарской технологии тонкопленочные солнечные модули мощностью 100 МВт в год. Эта технология, переданная нам в рамках контракта фирмой «Оерликон Солар», обеспечивает эффективность преобразования солнечного света в электричество на уровне 8,9 процентов. Для того чтобы её совершенствовать, в 2010 году на площадке нашего института был создан ООО «Научно-технический центр тонкопленочных технологий в энергетике при ФТИ им. А. Ф. Иоффе», который юридически стал частью ООО «Хевел». Задача центра – поддержка производства на заводе и дальнейшее повышение эффективности тонкопленочных солнечных элементов. Нам удалось за счёт улучшения свойств используемых материалов и совершенствования интерфейсов поднять планку КПД тонкоплёночных элементов до 10%, но потенциал, заложенный в этой технологии, по нашим оценкам, ещё выше – примерно 12%.

Параллельно мы заняты разработкой совершенно нового продукта – солнечного элемента на основе кристаллического кремния. Впервые гетероконтакт между кристаллическим и аморфным кремнием был обнаружен профессором Маргбургского университета Вальтером Фусом. Его идею усовершенствовала и в 1992 году запатентовала японская фирма Sanyo, запустив производство фотоэлектрических модулей в объеме порядка 1 Гвт в год. В 2012 году этот патент закончился. И мы, взяв за основу эти первичные наработки, приступили к созданию своей технологии с учетом специфики нашего производства.

Наш подход заключается в том, что мы заменили в существующей технологии процессы диффузии и имплантации, с помощью которых создаётся p-n-переход для разделения носителей и генерации тока, плазмохимическим осаждением нанопленки аморфного кремния на поверхность кристаллического кремния.

Звучит это, наверное, сложно. Но результат должен быть понятен всем, кто интересуется наукой: это новый тип солнечных элементов на основе гетероконтакта аморфного и кристаллического полупроводников. Именно за разработку полупроводниковых гетероструктур российский физик Жорес Иванович Алферов, 85-летний юбилей которого мы только что отметили, получил в 2000 году Нобелевскую премию.

КПД этих элементов уже сегодня достигает 25%, то вдвое выше того, который есть у тонкоплёночных солнечных элементов. В настоящее время мы обсуждаем варианты модернизации нашего завода под эту новую технологию. Некоторое время ещё будут производиться тонкоплёночные элементы в виду того, что всё заточено под них, но в дальнейшем мы планируем перейти на более эффективные гетероструктурные фотопреобразователи на основе кристаллического кремния.

- Как будет проходить модернизация?

- Представьте огромные производственные машины, каждая из которых состоит из 30 реакторов. Сейчас в них закладываются стёкла размером 110х130 кв. см, на которые осаждаются тонкопленочные фотоактивные слои на основе аморфного и микрокристаллического кремния. Модернизация заключается в следующем: мы вместо стекла на металлическом листе такого же размера размещаем 50 кремниевых пластин размером 156х156 кв. мм и осаждаем на их поверхность тонкую пленку аморфного кремния, формируем токосъем и получаем в итоге фотоэлектрические гетероструктурные преобразователи с КПД более 20%.

- Удалось ли получить опытные образцы солнечных элементов с желаемой эффективностью?

- Да, на промышленных образцах кремниевых пластин мы получили элементы с эффективностью 21%. Но потенциал базовой для этих продуктов технологии находится на уровне 27%. Поэтому, прежде чем перейти на производство новых, гетероструктурных солнечных элементов, мы работаем над дальнейшим совершенствованием этой технологии, и стремимся достичь тех теоретических значений, которые она позволяет. Работа заключается в усложнении конструкции модуля, улучшении материалов, оптического дизайна солнечного элемента и так далее.

- Есть ли в России и в мире спрос на такие разработки?

- В России принято к исполнению Постановление Правительства от 28 мая 2013 г. за № 449 «О механизмах стимулирования использования возобновляемых источников энергии на оптовом рынке электрической энергии и мощности», в соответствии с которым до 2020 года запланировано ввести в строй солнечные электростанции, вырабатывающие 1,5 гигаватта энергии. Так что спрос в стране есть, и в ближайшие годы он будет только расти. На мировом рынке мы тоже вправе рассчитывать на определённую долю, ведь наши солнечные модули будут работать в высокоэффективном сегменте с КПД более 20%, спрос на такую продукцию растет. В мире не так много фирм, которые производят подобные элементы.

- На ваш взгляд, каким регионам, для решения каких задач могут быть интересны проекты по развитию солнечной энергетики?

- Солнечная энергетика сегодня решает две задачи. Первая – это обеспечение крупных посёлков, индустриальных центров энергией, конкурирующей с обычной энергией, которая вырабатывается из нефтепродуктов или гидроэлектростанцией. А вторая задача, которая для России тоже очень актуальна, – автономная энергетика, то есть обеспечение оторванных от энергосетей посёлков и объектов электроэнергией. В этом приложении солнечная энергетика является очень удобным инструментом, не требующим каких-то больших инвестиций. То есть не понадобится тянуть электросеть или газопровод, достаточно будет поставить «солнечное поле», которое собирается довольно-таки быстро и легко и не требует сложного обслуживания и большого количества персонала. В России это актуально для южных регионов и Сибири, например, для республики Алтай, где много удалённых посёлков и экологически чистых зон, которые рациональнее «питать» именно солнечной энергетикой.

Кстати, там уже построена усилиями ООО «Хевел» первая в России солнечная электростанция на 5 мегаватт. В этом году похожие проекты фирма будет реализовывать в разных областях. Это увеличение мощности солнечной станции в Республике Алтай, строительство солнечных полей в Оренбургской, Саратовской и Астраханской областях, а также в Якутии. По итогам года должно быть введено порядка 60 мегаватт солнечной энергетики.

- Приведите, пожалуйста, пример: как работает ваша солнечная электростанция в конкретном населённом пункте?

- В алтайском посёлке Яйлу из 50 домов на берегу Телецкого озера мы построили солнечную электростанцию на площади примерно 100 на 150 метров мощностью 100 киловатт. Раньше этот населённый пункт получал энергию от дизель-генератора, и свет в домах появлялся только тогда, когда человек, ответственный за генератор, приводил его в действие. Работает генератор – есть свет, нет – значит, нет. У многих даже выключателей дома не было. С появлением солнечной электростанции все дома получили бесперебойное питание. У людей заработали холодильники и электроприборы и появилось все необходимое для современной, комфортной жизни. Если говорить об экономике, то дизель-генератор был тоже не самой удобной штукой. Вы можете представить, что такое доставка дизельного топлива в горные районы? Зимой там не каждая машина проедет. Народ неделями жил без света. Поэтому солнечная энергетика или комбинация солнечной энергетики с системой накопления энергии и с дизельной энергетикой – это такое оптимальное современное решение проблем автономной энергетики. Когда светит солнце, то заряжаются аккумуляторы. Когда потребителю нужна энергия, аккумуляторы её выдают. А если солнца не хватает, чтобы зарядить аккумуляторы, включаются дизель-генераторы.

- Часто можно слышать тезис о том, что солнечная энергетика в России не имеет больших перспектив, потому что страна у нас холодная. Что вы скажете по этому поводу?

Это некое заблуждение, что для развития солнечной энергетики подходят только жаркие страны. Например, та же самая Якутия обладает солнечной инсталляцией такой же, как в Испании. Кроме того, у нас есть юг – тот же Алтай, Астрахань, Дагестан, где солнечная энергетика востребована и нужна.

Мне кажется, постоянно вбрасываемый в масс-медиа тезис о том, что в России мало солнца, просто выгоден тем кругам, которые по каким-то причинам желают замедлить развитие возобновляемых источников энергии. Весь мир это давно понял, и не надо нам выбирать здесь свой путь.

- Сколько должна стоить солнечная энергия, чтобы её можно было бы рассматривать как реальную альтернативу традиционной?

Всё определяется объёмами производства. Возьмём для примера Германию и США: там цена энергии, вырабатываемой с помощью солнца, уже сравнима с ценой традиционной энергии.

В России, к сожалению, мы находимся в начале пути. У нас стоимость может достигать 30 рублей за квт/час, что, впрочем, сравнимо со стоимостью электроэнергии, получаемой с помощью дизель-генераторов в отдельных наших областях. Если мировое производство солнечной энергии сейчас достигает порядка 160 гигаватт в год, то мы намереваемся только к 2020 году ввести 1,5 гигаватта. Безусловно, Россия – страна, богатая нефтью, газом, и это сдерживает развитие данных направлений. Но, тем не менее, мне кажется, в последние годы тенденция положительная.

- Какой ассортимент солнечных элементов предлагает сегодня мировой рынок, и покрывает ли он существующие в мире потребности в солнечной энергетике?

Есть и тонкоплёночные элементы с КПД порядка 10%, есть и монокристаллические кремниевые элементы с КПД 18–20%, но доминируют мультикристаллические элементы на кремнии, эффективность которых находится на уровне 14–16%. Также представлены гетероструктурные солнечные элементы с КПД около 22%, их выпускают всего 2 фирмы. Но, как я уже сказал, потенциал этих элементов находится на уровне 27–28%.

Что же касается потребностей, то они растут по высокоэффективным элементам. Потому что чем выше эффективность, тем меньшая площадь требуется под «солнечное поле», тем меньше нужно электронных устройств, которые обеспечивают функционирование всего этого процесса, меньше несущих конструкций, на которых располагаются модули. И поэтому стоимость электроэнергии, полученной с помощью высокоэффективных солнечных элементов, становится значительно дешевле.

Проект «Разработка фотоэлектрических преобразователей на основе кристаллического кремния с конкурентными на мировом рынке энергетическими и экономическими показателями» поддержан ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2014–2020 годы».

Быкова Наталья

Источники:

1. km.ru