• Текст: ТАТЬЯНА ДАНИЛОВА

Солнечный прогресс

Стоимость солнечной генерации снижается высокими темпами. Однако не прекращаются поиски перспективных, более эффективных материалов для солнечной генерации, которые обеспечивали бы «бесплатную» энергию даже в пасмурные дни. Мы представляем обзор технических новинок в этой сфере.
Прошедший 2015 год стал урожайным для солнечной энергетики. По данным программы ООН по окружающей среде, впервые мировой объем инвестиций в фотовольтаику превысил инвестиции в газовую и угольную генерацию. А в этом году мощности солнечных установок США ожидает удвоение. На втором месте — Китай, который, согласно тринадцатому пятилетнему плану, к концу десятилетия планирует увеличить их втрое.

Успехи исследований технологий фотовольтаики привели к тому, что солнечная энергетика во множестве регионов стала конкурентоспособной. Количество солнечных установок продолжает расти, а стоимость панелей и системные затраты — снижаться. Больше всего снизилась стоимость солнечных «полей», смонтированных прямо на земле.

Наиболее ярко эта тенденция проявилась в США. По данным Минэнерго этой страны, стоимость установленных несубсидируемых солнечных «полей» промышленного масштаба упала с $4/Вт до нынешних менее чем $1/Вт. КПД панелей тоже растет.

Производители солнечных элементов, как и все высокотехнологичные компании, хранят в тайне ключевые детали стратегии улучшения качества своей продукции. Тем не менее перспективные разработки все же становятся достоянием общественности, и можно предположить, чтó будет работать на снижение затрат через несколько лет.
Вид с воздуха на маленький участок гигантской солнечной фермы «Топаз» (Topaz Solar Farm), расположенной в восточной части Сент-Луис-Обиспо, штат Калифорния. Мощность станции — 550 МВт, этого достаточно для снабжения -160–180 тыс. домов. СЭС одна из крупнейших в мире, она включает 9 млн фотовольтаических модулей из теллурида кадмия, изготовленных американской компанией First Solar
СТАРЫЙ ДОБРЫЙ КРЕМНИЙ
Около 90% установленных солнечных панелей работают на кремнии сверхвысокой чистоты — порядка 99,999%. Это зрелая технология, и она редко привлекает внимание научной прессы.

Эффективность кремниевых солнечных ячеек и панелей, то есть та доля солнечной энергии, которая может быть преобразована в электрическую, варьируется от 10% до 45%. Ячейки с наивысшей эффективностью — это, как правило, многопереходные устройства, которые довольно дороги. Их применяют, например, в космической технике. За последние 10 лет их эффективность выросла с 35% до 45%.

Сейчас разработаны устройства с тремя и четырьмя переходами, которые зачастую имеют интегрированные солнечные концентраторы. Концентраторы повышают эффективность примерно с 38% до 45% посредством линз и искривленных зеркал, фокусирующих солнечный свет на многопереходных ячейках. Системы солнечных концентраторов могут также использовать солнечные трекеры и встроенные системы охлаждения.

Эффективность более дорогих монокристаллических элементов выше — до 25% без концентратора. Их «нарезают» из большого кристалла кремния. Менее дорогие (и чаще применяемые) поликристаллические кремниевые ячейки имеют эффективность 17–18%. Среди кристаллических кремниевых ячеек выделяются аморфные кремниевые тонкопленочные элементы. Эти устройства дешевле поликристаллических ячеек, их эффективность достигает 13,4%.

В краткосрочной перспективе вероятен коммерческий успех систем из теллурида кадмия. Это единственная технология пленочной фотовольтаики с затратами ниже, чем у систем из кристаллического кремния мощностью в десятки киловатт. Эффективность теллурида кадмия (единственный крупный поставщик — First Solar) потенциально составляет 21–22%, а реально — около 15% (даже ниже, чем у кремниевых панелей). Зато есть значительный потенциал роста эффективности.

Также ожидаются расширение применения систем CIS (селенида меди-индия) и CIGS (cеленида меди-индия-галлия) и рост их солнечной эффективности до 20%, хотя в последнее время рост эффективности теллурид-кадмиевых систем был более значительным. Модули CIS хорошо работают при низкой освещенности (облачности) и имеют более высокую спектральную характеристику по сравнению с другими материалами PV.

Исследуются многие химические элементы. Считается, что наибольший потенциал у органически-неорганических гибридов. Речь о ячейках, сенсибилизированных красителем, органической фотовольтаике, перовскитах, неорганических квантовых точках. Они состоят из недорогих материалов (органических полимеров, малых молекул, неорганики) и могут изготовляться на гибких основаниях методом рулонной печати. То есть обещают быть дешевле традиционных кремниевых, гибче, эффективнее в самых разнообразных условиях освещенности и, следовательно, найти самое широкое применение, помимо крыш и солнечных ферм.

Однако революционных изменений в этом сегменте эксперты в ближайшие пять лет не ожидают, все разработки направлены на постепенное повышение экономической эффективности и КПД. Еще не решена проблема нарезания кристалла на пластинки, из которых ячейки собирают в модули. В этой области долго ничего не менялось, и с увеличением объема производства совершенствование этих процессов даст большую экономию.

Красочное, прозрачное окно из ячеек, сенсибилизированных красителем — прототип, изготовленный с помощью трафаретной печати Корейским институтом науки и технологий
ПОЛЕЗНЫЕ КРАСИТЕЛИ
Пока максимальная сертифицированная эффективность ячеек, сенсибилизированных красителем (dye-sensitized solar-cell, DSSC), оценивается в 11,9%, статус разработки — продвинутая демонстрация и несколько продуктов для продажи. Солнечный элемент на основе сенсибилизированных красок (или, как его еще называют, сенсибилизированный красителем солнечный элемент) состоит из двух электродов, электролита в виде геля на водной основе и недорогих светочувствительных молекул органических красителей, которые под действием света генерируют электрический ток (по аналогии с принципом фотосинтеза).

В обычном солнечном элементе поглощение света, возбуждение электрона и разделение зарядов происходят в одном слое кремния, а в DSSC-элементах — в отдельных молекулярных слоях. Ныне эффективность DSSC-элементов куда ниже, чем у кремниевых, но сочетание низкой стоимости, малого веса, гибкости, тонкости и способности передавать свет делает вероятным их применение в случаях, с которыми кремниевые элементы «не справляются».

Например, DSSC-фотовольтаика хорошо работает с рассеянным светом, ее можно встраивать не только в крыши (здесь первенство держат кремниевые панели, хорошо работающие с прямым солнечным светом), но и в наружные панели зданий. Тонкие DSSC-листы можно проложить между двумя слоями стекла — и обычные окна, световые люки и стеклянные фасады превратятся в генераторы электроэнергии.

Технологию DSSC пытаются коммерциализовать несколько компаний, в их числе южнокорейская Dongjin Semichem. Сейчас панели компании установлены на трех демонстрационных объектах, а в первой половине 2016 года их планировалось установить еще на двух. Компания заявила, что «построила, наладила и эксплуатирует» пилотную автоматическую линию DSSC-модулей на стеклянной основе и может производить десятки тысячи модулей в год.
DSSC также годятся для питания небольших устройств, которые собирают данные и обмениваются ими (например, «Интернет вещей»: сеть бытовых приборов, транспортных средств и других объектов). Питание для таких устройств можно обеспечивать при помощи небольших DSSC-панелей, которые могут генерировать энергию из искусственного света в помещениях. Такие панели под торговым наименованием GCell производит компания G24 Power в британском Уэльсе.

Их устанавливают, например, на беспроводных клавиатурах. В ближайшие месяцы компания планирует начать поставки сигнализаторов с DSSC-питанием, передающих Bluetooth-сигналы. Их применяют, к примеру, чтобы у входа на зрелищное мероприятие направлять зрителей посредством их мобильных телефонов на места, указанные в билетах.

Однако зрелой эту технологию назвать пока нельзя. Один из недостатков DSSC — едкий, летучий и легко протекающий электролит (обычно органический раствор йодидной/трийодидной окислительно-восстановительной пары). К тому же он может вступать в реакцию с красителем, что ограничивает его долгосрочную стабильность. В чикагском Северо-Западном университете пытаются заменить жидкий электролит полупроводниковым неорганическим твердым веществом. Это фтор-легированный йодид цезий-олова (CsSnI2,95F0,05).

Есть и другие пути улучшений: поиск новых сочетаний красителей и окислительно-восстановительных пар. Например, группа Грецеля из Швейцарского федерального института технологии (Лозанна) обнаружила, что сочетание цинк-порфиринового красителя с электролитом из бипиридина кобальта по эффективности превосходит йодид-рутениевые системы.
ПРОБЛЕМЫ РОСТА
Два самых известных производителя солнечных установок оказались на грани катастрофы: они расширялись слишком быстро и впали в тяжкую зависимость от массивных заимствований и финансовой инженерии.

Долги SunEdison (США), крупнейшей компании мира в области организации проектов возобновляемой энергетики, превысили $11 млрд и компания была вынуждена признать свое банкротство. Только от казначейства США компания получила гранты на $598 млн, а также кредиты и кредитные гарантии на $582 млн. По другую сторону Атлантики испанская Abengoa накопила долгов на 9,3 млрд евро ($10,6 млрд) и избежала банкротства лишь благодаря отсрочке, предоставленной кредиторами для выработки плана реструктуризации.

Обе компании были символами бума чистой энергетики, обе кредитовались, чтобы строить крупные проекты выработки энергии по привлекательным ценам, затем продали активы дочерним фирмам, которые вышли на биржу и на первичном размещении собрали сотни миллионов.

Отрасль вновь столкнулась с законами рынка: слишком много мощности, добавленной слишком быстро, причем во всем мире, создает перенасыщение и оставляет в убытках тех, кто стоит в начале производственной цепочки. Не спасают и продолжающаяся консолидация, и стремление превратить компании в полностью интегрированные структуры (владеющие всеми процессами, от производства до розничных продаж). А из-за давления сланцевого и природного газа ситуация лишь обострилась.
ОРГАНИЧЕСКАЯ ФОТОВОЛЬТАИКА
Максимальная сертифицированная эффективность разработок в этом направлении –11,5%, статус — продвинутая демонстрация: реализуются пилотные проекты, некоторые продукты продаются.

Органическая фотоэлектрика основана на способности смеси светочувствительных полимеров или малых молекул и фуллереноподобных соединений поглощать свет. Эти соединения, как правило, смешаны в нанометровую сеть, известную как объемный гетеропереход, напоминающий небрежно перемешанную смесь масла и желе. Такая схема опосредует эффективное разделение зарядов, обеспечивая большую площадь контакта между органической молекулой (электронным донором) и фуллереном (электронным акцептором). Эти модули тонкие, легкие и гибкие, а значит, пригодны для размещения снаружи зданий и на поверхностях неправильной формы — например, на тканях для рюкзаков и палаток.

Такими проектами активно занимаются несколько компаний. У расположенной в Дрездене Heliatek есть несколько пилотных проектов по интеграции фольги из органической фотоэлектрики в фасады зданий из стекла, бетона и металла. Производственные мощности Heliatek составляют примерно 10–20 тыс. м² в год, и компания готовится разворачивать новые, чтобы к 2018 году начать массовый выпуск продукции.

Томас Бикль, вице-президент Heliatek по продажам и разработке продуктов, считает, что основное препятствие коммерциализации органических фотоэлементов находится не в технической области, а в финансовой. Преимущества низкой стоимости органической фотовольтаики станут очевидны лишь при их массовом, масштабном производстве — минимум 1 млн м² в год. Для этого нужно привлечь инвесторов, которые потребуют крупных пилотных проектов — а все это требует времени.

Датский стартап InfinityPV сегодня продает солнечные элементы и модули для использования в образовательных целях, а также для тестирования и анализа производства. В 2013 году компания разработала крупномасштабную технологию печати рулонов органической фотовольтаики и изготовила цепочку рекордной длины из 16 тыс. органических ячеек, соединенных последовательно.

Также InfinityPV изготавливает солнечные зарядные устройства для телефонов с корпусом размером в ладонь с вытяжной гибкой органической фотоэлектрической панелью и встроенной литий-ионной батареей. Разработки в этом направлении также ведут компании Merck KGaA (Дармштадт, Германия), которую в США и Канаде называют EMD, Sumitomo и Mitsubishi, но о том, как они продвигаются, известно мало.
Германский производитель Heliatek утверждает, что поставил новый рекорд по преобразованию солнечного света в электроэнергию с использованием органических фотоэлементов. По данным компании, ее исследователи достигли эффективности в 13,2 %, используя многопереходные органические ячейки, и эти подсчеты получили независимое подтверждение
КРИСТАЛЛЫ ПЕРОВСКОГО
Ячейки на основе перовскитов (кристаллов титаната кальция, названных в честь российского минералога Льва Перовского) появились еще в 2009 году; их эффективность составляла 4 %. Эта солнечная технология привлекает повышенное внимание, потому что продвигается в неожиданном направлении быстрее всех.

В отличие от других новых технологий, дебютировавших при очень низкой эффективности и развивавшихся медленно, перовскиты за несколько лет вышли на эффективность 10 % (сертифицированный максимум — 11,5 %), а сегодня этот показатель в экспериментах вырос до 22 %. Разработки находятся на стадии расширенной демонстрации; некоторые продукты продаются.

Лучше всего изучено соединение CH3NH3PbI3 — кристаллического перовскита со стехиометрическим составом, абсорбирующим свет. Все еще непонятно, отчего в этих типах ячеек положительные и отрицательные заряды, генерируемые фотовозбуждением, достигают соответствующих электродов так эффективно. Тем не менее исследователи фотовольтаики в науке и промышленности проявляют к этому материалу самый пристальный интерес. Образовалось также несколько любопытных стартапов: например, основанная оксфордским физиком Генри Дж. Смитом компания Oxford Photovoltaics и варшавская Saule Technologies.

Химикатами и материалами для исследований перовскитов торгуют несколько компаний, но перовскитовых модулей, похоже, в продаже нет, а публично их продемонстрировали лишь несколько фирм. Правда, в Saule Technologies утверждают, что у них имеется рабочий прототип модуля перовскита, который может питать маломощные электронные устройства. Генри Снейт из Oxford Photovoltaics говорит, что они на стадии испытаний технологии и что до демонстрации перовскитовых модулей пройдет минимум год.
Руководитель научных разработок Oxford PV Генри Снэйт
План Oxford Photovoltaics в том, чтобы для производства домовых солнечных панелей соединить перовскиты с кремнием. Исследования показывают, что по сравнению с чистым кремнием перовскит-кремниевые ячейки улавливают большую часть солнечного спектра и тем самым превосходят обычные кремниевые панели, в некоторых местностях уже примелькавшиеся на крышах домов.

Реальная коммерциализация перовскитов едва ли состоится до 2019–2021 годов, считает Тайлер Огден, аналитик рынка из бостонской Lux Research. Он только что опубликовал доклад, в котором проанализировал рост интереса к проектам по перовскитам и роль академической науки в развитии этой технологии.

До внедрения ячеек из перовскитов в коммерческое производство предстоит решить массу технических проблем. Одна из ключевых — стабильность таких ячеек. Светочувствительный материал в этих устройствах растворяется в воде и разлагается при высокой температуре. Есть компании, утверждающие, что они изобрели способы герметизации и защиты ячеек и модулей, но процедуры являются их собственностью. Снейт и его коллеги внесли свой вклад в решение проблемы стабильности, сообщив, что этот показатель существенно улучшился после замены в перовскитовом комплексе катионов формамидина ионами цезия.

Также ученым предстоит рассмотреть проблему загрязнения свинцом окружающей среды. Запатентованные способы герметизации могли бы предотвратить такое загрязнение. Можно пойти и иным путем — заменить свинец другим металлом, например оловом. Эту проблему изучают в группе Снейта и в чикагском Северо-Западном университете.
ПРОБЛЕМЫ РОСТА
Основное производство солнечных панелей располагается в Китае. Не секрет, что успех китайских производителей обеспечен массированными госсубсидиями, позволившими проводить политику демпинга. Это помогло китайцам расправиться с конкурентами на глобальном уровне (в секторе началась консолидация производителей) и выиграть время для совершенствования производства и менеджмента.

Из-за перенасыщения рынка поставками из Китая в 2011–2012 годах на рынке солнечной энергетики образовался «пузырь».

В 2011 году солнечные панели накапливались в грузовых портах, откуда их не успевали вывозить. При этом продукция различных компаний малоразличима по качеству и потребительским свойствам, а многие китайские заводы производят солнечные панели сразу под несколькими торговыми марками.
КВАНТОВЫЕ ТОЧКИ
Подтвержденная эффективность солнечных элементов на квантовых точках составляет 11,3 %; соответствующая технология пока находится в разработке, готового продукта нет. В солнечных элементах на квантовых точках нанокристаллы полупроводниковых халькогенидов металлов, в том числе CdS, CdSe, PbS, PbSe, функционируют как материал, поглощающий свет.

Ячейки на квантовых точках недороги в изготовлении методами химии жидких фаз и поддаются методам высокоскоростной печати. Перспективность этой технологии доказана несколькими исследованиями, но пока очень немногие компании сделали ставку на сочетание химии уникальных материалов и ноу-хау, необходимых для обеспечения конкурентного преимущества в этой области.

Одна из этих немногих — американская компания Solterra Renewable Technologies (Сан-Маркос, Техас). Это дочерняя компания производителя нанокристаллов и других наноразмерных материалов Quantum Materials. Ячейки Solterra разрабатывались для применения недорогих методов синтеза при производстве квантовых точек, вытянутых в четырех направлениях (тетраподов).

Такая форма кристаллов снижает вероятность рекомбинации электронов и дырок, что приводит к большей эффективности переноса заряда и фотоэлектрического эффекта по сравнению со сферическими квантовыми точками из того же материала. План Solterra состоит в том, чтобы в течение года произвести прототип квантовой точки и в течение двух лет продемонстрировать мультиячеистый модуль. Сейчас компания работает над совершенствованием своей техники рулонной печати и других производственных операций.

Совсем недавно ученые Университета естественных наук и технологии Восточного Китая сообщили, что у них квантовая точка достигла КПД 11,6 %. Этот рекорд на 0,3 % превосходит показатель, установленный в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии США.

ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ НОМЕРА