Что может быть заманчивее, чем идея использования бесплатного и неограниченного источника энергии — солнечного света? Источник всего живого на нашей планете не один миллиард лет снабжает ее теплом и светом, который живые организмы давно научились преобразовывать и использовать себе во благо. Теперь настала пора включаться в процесс ученым, которые уже более полувека бьются над преобразованием солнечной энергии в электрическую. И если сам процесс освоен на принципиальном уровне давно, то с эффективностью все обстоит далеко не так радужно. О прошлом, настоящем и будущем солнечной энергетики мы беседуем с заместителем начальника отдела НИЦ «Курчатовский институт» кандидатом физико-математических наук Павлом Анатольевичем Форшем.
Неторопливое развитие
— Павел Анатольевич, солнечная энергетика развивается не первое десятилетие. И хотя солнечные панели можно встретить сегодня даже в частных владениях, все равно это воспринимается скорее как некая экзотика. До сих пор не случилось прорыва. Что тормозит процесс внедрения?
— Считается, что эра солнечной энергетики началась с 1954 г., когда Пирсон, Чапен и Фуллер получили первый солнечный элемент с КПД порядка 6%. До этого, стоит отметить, уже получались твердотельные солнечные фотоэлементы с меньшим КПД. Большой вклад в это внесли наши ученые — тогда Ленинградского физико-технического института. Но 1954 г. уже сохранился в истории как начало солнечной энергетики. Получается, она развивается 60 лет — постепенно и довольно уверенно.
Солнечную энергетику можно разбить на два направления. Первое — солнечные элементы для применения в космосе. На данный момент это основной вид получения электроэнергии на борту космических аппаратов. Что касается наземных солнечных элементов, то в отличие от использования в космосе здесь основной вопрос — стоимость электроэнергии, поэтому сейчас идет работа над ее снижением. Рынок захватывается солнечными элементами постепенно, прирост получения энергии за счет солнечных элементов в год составляет примерно 25% в течение последних 30 лет.
Безусловно, довольно сложно сказать, сколько электроэнергии в ближайшее время будет обеспечиваться за счет солнечных элементов. По различным прогнозам, к середине XXI в. можно ожидать, что порядка 20-25% электроэнергии будет получаться за счет Солнца, солнечных преобразователей. На данный момент идут разработки по снижению стоимости киловатт-часа, пока эта цена довольно высока по сравнению с традиционным способом получения электроэнергии — за счет земных ископаемых.
— В южных странах, в той же Турции, многие дома снабжаются электроэнергией за счет солнечных батарей. Насколько это рентабельно в России? Или с российским климатом можно забыть о рентабельности, особенно в северных широтах, даже на уровне Москвы?
— Сейчас этот вопрос активно изучается, и он очень непростой. Заводские характеристики солнечных элементов даются из расчета определенной интенсивности падающего на элемент излучения. Однако в реальных условиях освещенность колеблется в зависимости не только от региона, но и от времени года. Кроме того, на солнечный элемент может налипать снег, если говорить про широты, где снежные осадки, а в России это преобладающая территория. Солнечная панель может быть некорректно расположена, может работать при повышенной или, наоборот, пониженной температуре. Все это приводит к тому, что вырабатываемая солнечным элементом мощность в реальных условиях может заметно отличаться от заводской. Оценкой вырабатываемой солнечными модулями электроэнергии в реальных условиях в России сегодня активно занимаются ученые, в частности специалисты Научно-технического центра тонкопленочных технологий в энергетике при ФТИ им. А.Ф. Иоффе. Они проводят в течение года мониторинг, сколько электроэнергии вырабатывается различными солнечными модулями — на монокристаллическом и на аморфном кремнии. У них стоят модули и в Санкт-Петербурге, и в Краснодаре. Этот вопрос изучается, потому что надо понимать, что солнечная энергетика — еще довольно молодая область, и здесь крайне сложно на данный момент точно сказать, как она в конце концов впишется в глобальное электроснабжение.
На сегодня в России есть места, где солнечные модули уже установлены. Они пока обеспечивают электроэнергией какие-то небольшие участки — деревню, например, — и это рентабельно в том случае, если по каким-то причинам не представляется возможным обеспечить поступление туда традиционной электроэнергии. Вот, скажем, одна из первых в мире гибридных дизель-солнечных энергоустановок установлена в селе Яйлю в Республике Алтай. Система сочетает в себе преимущества солнечной и дизельной генерации электроэнергии. Она обеспечивает Яйлю электроэнергией в круглосуточном и круглогодичном режиме. В России более 20 млн человек проживают в изолированных энергосистемах, многие из них имеют ограниченный доступ к электроэнергии. По прогнозам Минэнерго, потенциал развития возобновляемых источников энергии до 2020 г. в изолированных энергосистемах составляет порядка 1 ГВт. Таким образом, уже сейчас солнечная энергетика востребована в России и, безусловно, имеет свой рынок.
— Солнечный элемент — это именно солнечный элемент, он требует непосредственного прямого солнечного света, или он больше световой элемент? В пасмурную погоду способен ли он снабжать электричеством или будет бесполезен?
— Обычная схема работы следующая: солнечный элемент всегда сочетается с аккумулятором. Когда светло, в солнечную погоду он заряжает аккумулятор. Чем солнца больше, тем лучше этот аккумулятор заряжается. Понятно, что когда будет ночь, сам солнечный элемент работать не будет, и питание можно получать от аккумулятора.
— Если промежуточный вариант — пасмурная погода, как быть в этом случае?
— Все зависит от типа солнечного элемента и от освещенности. Пасмурная погода бывает по-разному пасмурная. Есть данные в единицах интенсивности света, который падает, и сколько электроэнергии дает при этом тот или иной солнечный элемент — это можно посмотреть и выяснить.
Повысить КПД
— За годы развития солнечной энергетики создано ли что-то принципиально новое в этой области, или все это — изобретение велосипеда, ничего нового здесь уже невозможно выдумать, просто нужно совершенствовать технологии, которые существуют?
— Сама идея преобразования света за счет полупроводникового p-n-перехода или p-i-n-структуры была известна довольно давно: еще в 30-х гг. прошлого века были реализованы солнечные фотоэлементы с эффективностью примерно 1%. Если в 1954 г. было достигнуто КПД порядка 6%, то сейчас, если говорить о солнечных элементах, которые используются на космических аппаратах, КПД достигает 46-47%. Во многом это связано с тем, что научились делать так называемые многокаскадные солнечные элементы.
Одна из основных задач солнечного элемента — поглотить как можно больше падающего солнечного излучения. Это делается таким образом, чтобы верхний каскад — по сути дела, отдельный фотопреобразователь — поглощал одну часть солнечного спектра, средний каскад — другую, а нижний — третью. Таким образом, удается собрать больше падающей солнечной энергии и, соответственно, получить на выходе большее значение электроэнергии, вырабатываемой солнечным элементом. Это непростая технология, потому что там очень много различных слоев — буферных, межкаскадных.
Кроме того, за последнее время начали развиваться именно дешевые технологии, почему мы и приступаем к разработке солнечных элементов наземного применения. Начали развиваться технологии создания солнечных элементов на основе CdTe, Cu-In(Ga)-Se(S), аморфного кремния. КПД у этих элементов не так высок по сравнению с используемыми в космосе — например, у Cu-In(Ga)-Se(S) этот КПД приближается к 20%. У аморфного кремния он значительно ниже — порядка 10-11%. Тем не менее низкая стоимость солнечных элементов на основе аморфного кремния позволяет им уже сегодня конкурировать с другими видами энергии.
Сегодня развивается целое направление создания солнечных элементов на полимерах — это совсем юная область. КПД там в лабораторных условиях 10-11%. Но надо понимать: то, что сделано в лаборатории, как правило, имеет КПД больший, чем то, что получается потом на заводе. Вторая проблема на данный момент связана с полимерными технологиями: наблюдается довольно сильная деградация свойств солнечных элементов на основе полимеров — порядка 40% за несколько лет. Уменьшается КПД, уменьшаются характеристики: ток короткого замыкания, напряжения холостого хода. С этим, безусловно, нужно бороться.
Кроме того, деградация свойств наблюдается и в других дешевых элементах. Как я уже говорил, одни из наиболее перспективных солнечных элементов для наземных применений — солнечные элементы на основе аморфного кремния. Аморфные элементы на основе аморфного гидрогенизированного кремния тоже изменяют свои свойства, деградируют под действием солнечного освещения. Большая проблема — побороть этот эффект, не испортив сам материал: он должен быть с такими же фотоэлектрическими характеристиками, но изменение его свойств под действием освещения наблюдаться не должно. Кроме того, нужно еще и придумать такую технологию, которая уже была бы совместима с существующими технологиями, потому что нецелесообразно выдумывать что-то заново, когда есть целые заводы по производству тонкопленочных солнечных элементов на основе аморфного кремния.
В России в самое ближайшее время должен быть запущен завод «Хевел» по производству тонкопленочных фотопреобразовательных модулей на основе аморфного кремния, который призван создать полноценную высокотехнологичную отрасль солнечной энергетики как альтернативу традиционным источникам энергии. В России это крупнейший на данный момент завод по производству солнечных элементов. В качестве исследовательского центра при данном заводе создан уже упоминавшийся мной Научно-технический центр тонкопленочных технологий в энергетике при ФТИ им. А.Ф. Иоффе. Основная цель создания центра — проведение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, направленных на повышение качества тонкопленочных солнечных модулей на основе аморфного и микрокристаллического кремния. Ученые Курчатовского института совместно с учеными из ФТИ им. А.Ф. Иоффе и Научно-технического центра тонкопленочных технологий в энергетике при ФТИ им. А.Ф.Иоффе внесли свой вклад в решение проблемы деградации под действием освещения солнечных элементов на основе аморфного кремния. Оказывается, что внедрение в аморфную матрицу определенного количества нанокристаллов позволяет улучшить стабильность материала, не изменив его фотоэлектрических свойств. Разработка технологии по внедрению нанокристаллов в аморфный кремний так, чтобы их было нужное количество и чтобы они достаточно однородно были распределены по толщине пленки, — непростая задача, но мы ее решили. При этом разработанные технологии получения аморфного кремния с кремниевыми нанокристаллами полностью совместимы с имеющимися технологиями на заводе «Хевел». Результаты были проверены в НТЦ тонкопленочных технологий в энергетике при ФТИ им. А.Ф. Иоффе, утверждена наша заявка на патентное изобретение.
— Есть ли теоретические предпосылки для увеличения КПД? Он же при этом остается достаточно низким, не дотягивая даже до 50%?
— Безусловно, увеличивать КПД можно. Для трехкаскадных батарей теоретический предел КПД — 56%, а сейчас он 46-47%, значит, есть куда расти.
Еще большая возможность увеличивать КПД есть в тонкопленочных солнечных элементах, в частности элементах на основе аморфного кремния. Сейчас развиваются идеи создания солнечных элементов на гетеропереходах, где будут использованы монокристаллический кремний и аморфный кремний.
— То есть теоретический максимум КПД солнечной батареи — это 56%?
— Это если говорить о трехкаскадных. Можно делать четырехкаскадные, пятикаскадные солнечные элементы. Они будут иметь больший КПД, потому что там можно эффективно поглотить больше света: чем больше света поглощено, тем больше получается КПД. Для них теоретические пределы выше.
Если говорить о цикле Карно, какой КПД может быть в идеале, то это примерно 93%. Безусловно, в элементах, которые рассчитаны на применение в космосе, есть тенденция: хотят переходить на четырех-, пятикаскадные элементы. На данный момент этот переход совершается, реально такие элементы пока не используются. Там есть свои проблемы с подбором слоев с определенными параметрами кристаллической решетки, чтобы не было напряжений, деформаций. Тем не менее такая работа ведется, и я думаю, что в скором времени будут запускаться четырехкаскадные солнечные элементы и эффективно использоваться в космических целях.
— 93% — это та эффективность, к которой нужно стремиться?
— Это идеальный цикл, которого вряд ли мы когда-то достигнем, но, тем не менее, значительно превысить потолок в 50%, я думаю, удастся.
Зеленее надо!
— Сам по себе процесс преобразования солнечной энергии достаточно экологичен. При этом производство солнечных элементов по-прежнему довольно «грязное». Можно ли как-то его «очистить»?
— Что касается экологичности данного процесса, то производство солнечных элементов иногда использует и токсичные элементы, и некоторые ядовитые газы. Поэтому когда говорят о солнечной энергетике как о полностью зеленой технологии, здесь есть небольшая доля лукавства. Однако процессы производства самих солнечных элементов и получение с помощью них электроэнергии могут быть пространственно разнесены. Например, солнечные элементы могут быть использованы для получения электроэнергии в заповедных зонах. И это будет технологически «чистый» процесс. Само же производство солнечных элементов при этом может осуществляться в другой географической области с меньшими экологическими требованиями. В связи с этим в данном контексте разговор об экологичности солнечной энергетики вполне оправдан.
Заглянем в будущее
— Каких новых направлений развития солнечной энергетики можно ожидать в будущем?
Мы с вами говорили в принципе о технических вопросах по доведению каких-то идей до совершенства, о вопросах увеличения коэффициента полезного действия за счет различных технологических приемов и технических решений. Это все рутинная и не революционного характера работа. Что же касается нового качественного скачка, то здесь направление развития может быть связано с биоэнергетикой, когда полупроводник заменяется биоорганической субстанцией.
Такие работы ведутся в Курчатовском институте. Задача очень непростая, потому что она междисциплинарная, здесь нужно совместить биологию, физику, химию. Для этого необходимы соответствующие условия: наличие самого современного аналитического и технологического оборудования, в том числе уникальных установок, наличие кадрового состава с подготовкой в области конвергентных нано-, био-, информационных и когнитивных наук и технологий и многое другое. И я должен сказать, что Курчатовский НБИКС-центр и создавался М.В. Ковальчуком для решения такого рода междисциплинарных, конвергентных задач. Думаю, что в плане улучшения экологии и революционных прорывов здесь слово за биоэнергетикой, где именно совмещение «живого» с «неживым» даст нам какие-то прорывы. Задача эта крайне сложная. И, безусловно, те знания, которые накоплены в солнечной энергетике и еще будут накоплены , пригодятся и для решения уже биоэнергетических задач.
— Расскажите подробнее про проект совмещения. Что представляют собой эти биосветочувствительные элементы?
— Проект пока находится в стадии исследований. Мы говорили о технологиях, которые уже развиваются многие десятилетия и только сейчас выходят на промышленный уровень. С точки зрения интеграции солнечной энергетики с биотехнологиями нужно еще провести большую часть фундаментальных исследований, чтобы о чем-то убедительно можно было говорить, т.е. это работы на перспективу, на опережение, какими, собственно, и должны быть фундаментальные исследования. Что же касается биоэнергетики, то это направление активно развивается в Курчатовском институте. Для солнечной энергетики такой уход в биоэнергетику, бионаправление, где будет, например, совмещаться процесс фотосинтеза с преобразованиями солнечной энергии с помощью полупроводниковых структур — это, безусловно, интересная и важная задача.
— Чего помимо биоинтеграции ждать от солнечной энергетики в ближайшей перспективе?
— Прогнозы — всегда дело неблагодарное. Кто-то пишет о том, что к концу XXI в. останется только солнечная энергетика, кто-то наоборот говорит, что солнечной энергетики вообще не будет, поскольку у нее нет перспектив.
Я думаю, что солнечная энергетика будет развиваться в том виде, в каком она развивается сейчас: будет увеличиваться КПД солнечных элементов, за счет этого будет снижаться стоимость вырабатываемой ими электроэнергии. Это будет, безусловно, приводить к увеличению доли солнечной электроэнергии и все большему продвижению на рынок солнечных элементов. Кроме того, будет развиваться и, по-видимому, все сильнее конкурировать с солнечной биоэнергетика.
На местном уровне
— Какие направления солнечной энергетики развиваются в Курчатовском институте?
— Я уже о некоторых из них упоминал — это, в частности, создание материала на основе аморфного кремния, с кремниевыми нанокристаллами, который обладает фотоэлектрическими характеристиками, сравнимыми с характеристиками широко используемого в солнечной энергетике аморфного гидрогенизированного кремния, но при этом в отличие от последнего стабильного к воздействию солнечного света.
Кроме того, недавно учеными Курчатовского института было обнаружено, что в случае кристаллизации аморфного кремния фемтосекундным лазерным излучением на воздухе можно получать тонкие слои, которые будут эффективно поглощать в ультрафиолетовой области спектра и переизлучать в видимой области. Это важно для солнечных элементов на основе аморфного кремния, потому что в ультрафиолетовой области спектра они поглощают плохо. Использование же полученного тонкого слоя позволяет добиться переизлучения ультрафиолетовой части солнечного спектра в эффективно преобразуемый солнечным элементом видимый свет, что приведет к существенному увеличению КПД. Такие слои называют люминесцентными концентраторами.
— А зачем его переизлучать? Нельзя сразу ультрафиолетовое излучение (или инфракрасное) перевести в электроэнергию?
— Дело в том, что полупроводники по-разному поглощают в различных областях электромагнитных волн. Поэтому, кстати, и делают многокаскадные элементы. Там верхний каскад эффективно поглощает свет с малой длиной волны, но пропускает свет с большей длиной волны. По мере удаления от поверхности солнечного элемента каскады делают из материалов, поглощающих в области все больших длин волн. Таким образом, с помощью нескольких каскадов получается эффективно собирать свет. С переизлучением света ситуация в какой-то степени аналогичная: берем какую-то область света, которую солнечный элемент плохо поглощает и, соответственно, не преобразует в электроэнергию, и с помощью специально созданного слоя на поверхности элемента переводим ее в ту область, где солнечный элемент эффективно поглощает.
— То есть, по сути, ограничение КПД происходит за счет слишком узкого диапазона, который способен поглощать фотоэлемент?
— Да, во многом уменьшение КПД связано с тем, что сложно собрать всю падающую на солнечный элемент энергию. Следует отметить, что вопрос увеличения поглощения фотопреобразователем солнечной энергии остается одним из наиболее актуальных на всем протяжении развития солнечной энергетики. Используются самые разные подходы и методы для увеличения поглощения, среди которых, помимо уже отмеченных, — концентрация солнечного излучения, текстурирование поверхности солнечного элемента, создание отражающего заднего контакта, использование эффекта резонансного возбуждения плазменных мод в металлических наночастицах, введенных в полупроводник, и многое другое.
Беседовал Виктор Фридман
СПРАВКА
Павел Анатольевич Форш
Заместитель начальника отдела по работе с базовыми кафедрами управления образовательной деятельности и молодежной политики НИЦ «Курчатовский институт», доцент физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.
Сфера научных интересов: физика низкоразмерных структур, полупроводники, солнечные преобразователи, полупроводниковые газовые сенсоры.
Хобби: шахматы.
Фото превью: НИЦ «Курчатовский Институт»
Видео материал "Научная Россия".
