Мировая энергетическая революция. Как возобновляемые источники энергии изменят наш мир - Владимир Сидорович

Фотоэлектрический эффект, или фотоэффект, благодаря которому световая энергия преобразуется в электрическую, был открыт еще в 1839 г. французским физиком Александром Беккерелем, а в 1905 г. объяснен Альбертом Эйнштейном, который в 1921 г. получил Нобелевскую премию именно за теорию фотоэлектрического эффекта. В 1954 г. американские исследователи разработали солнечный элемент на основе кремния, позволяющий преобразовывать солнечный свет в электричество с 6 %-ной эффективностью^[43]. На основе данной разработки в 1955 г. была создана первая солнечная батарея. С конца 50-х гг. прошлого столетия солнечные батареи использовались в космической отрасли, пока наконец не стали доступными для применения и в других сферах.

В развитии технологий солнечной энергетики самое деятельное участие принимали и российские ученые, в частности упомянутый выше академик Алферов получил премию «Чистая энергия» за «фундаментальные исследования и значительный практический вклад в создание полупроводниковых преобразователей энергии, применяемых в солнечной и электроэнергетике».

Львиную долю мирового рынка фотоэлектрики, примерно 90 %, занимают сегодня солнечные модули на основе кристаллического кремния. Около 10 % приходится на тонкопленочные технологии разных видов, а на быстрорастущий сегмент концентрированной фотоэлектрики (CPV) пока менее 1 %.

Интригой дальнейшего развития солнечной энергетики является эффективность солнечных (фотоэлектрических) модулей и динамика их стоимости, а также прогресс в производстве иных составляющих солнечных электростанций. В принципе, солнечная энергетика бурно растет уже и при нынешнем уровне производительности модулей, а дальнейший рост эффективности приведет к еще большему повышению ее конкурентоспособности на энергетическом рынке. При этом очевидно, что эффективности есть куда расти. Чуть ли не ежемесячно приходят новости об очередном технологическом прорыве в том или ином исследовательском центре, позволяющем добиться повышения эффективности разных типов модулей.

В настоящее время в лабораторных условиях установлены следующие рекорды эффективности солнечных ячеек: 25 % – для монокристаллических (sc-Si), 20,4 % – для поликристаллических (mc-Si). В сфере тонкопленочной технологии лучшие результаты составляют 19,8 % для пленок на основе диселенида меди индия галлия (CIGS) и 21 % для пленок на основе теллурида кадмия (CdTe)^[44]. Последний из указанных типов модулей имеет, по-видимому, все шансы потеснить кремниевые технологии в связи с ростом эффективности, сочетающимся с меньшей энергоемкостью и низкими удельными затратами на производство 1 Вт.

За последнее десятилетие средняя эффективность находящихся в продаже модулей на основе кристаллического кремния увеличилась с 12 до 16 %, а лучшие коммерческие модели имеют эффективность 21 %. У тонкопленочных модулей (CdTe) за то же десятилетие средняя эффективность выросла с 9 до 13 %, а рекордный показатель составляет 17 %^[45].

Между тем современные модели монокристаллических модулей уже сейчас показывают лабораторную эффективность, превышающую 23 %, что обещает скорый рост эффективности модулей, предлагаемых на рынке^[46]. Более того, продолжающие эксперименты с химической структурой модулей и использованием для их производства все новых материалов дают обнадеживающие результаты. Например, использование минерала перовскита при производстве кремниевых модулей, возможно, позволит еще больше увеличить их эффективность и снизить стоимость^[47].

В сфере концентрированной фотоэлектрики (CPV) эффективности существенно выше, но она работает только с прямой солнечной радиацией, что ограничивает географию ее использования богатыми солнцем регионами. Серийные показатели достигают здесь 35 %^[48], а лабораторный мировой рекорд для многопереходных солнечных элементов (multi-junction solar cells) составляет 44,7 %^[49].

Производство компонентов солнечных электростанций (помимо модулей) также совершенствуется с высокой скоростью. Снижение стоимости инверторов, основных элементов солнечных электростанций, практически повторяет кривую стоимости фотоэлектрических модулей. Расход материалов для производства инвертора за последние десять лет сократился с 12 до 2 кг на ватт^[50]. И производители прогнозируют продолжение данного тренда.

Вообще вопрос используемых материалов в солнечной энергетике достаточно важен. Кремний, являющийся основой фотоэлектрики, – второй по распространенности на Земле элемент после кислорода. Но даже его солнечная энергетика старается экономить. Расход кремния для производства панелей сократился за десять лет с 16 до 6 г на ватт, что, однако, сопровождалось вышеназванным ростом их эффективности^[51].

Помимо кремния, при производстве солнечных ячеек и модулей используется целый ряд материалов, в том числе редких и ценных. Одним из них является серебро. Примерно 20 г серебра используется в каждой панели из кристаллического кремния, а для одного гигаватта требуется уже 80 метрических тонн драгоценного металла^[52]. Солнечная энергетика потребляет сегодня примерно 5,6 % добываемого в мире серебра, и при заявляемых перспективах роста рынок может столкнуться с существенным повышением спроса на этот металл^[53].