Солнечное разнообразие
Приблизительно 90% современных солнечных элементов сделаны на основе кремния. В них используют монокристаллы Si, мультикристаллы Si, ленты Si, пленки аморфного α-Si. Такие элементы надежны, технология их производства хорошо отлажена, а применять их можно в самых разных климатических зонах. Например, элементы на кристаллах кремния лучше работают на юге, при большой интенсивности прямого потока света, аморфный же кремний предпочтительнее для севера, где на элемент падает поток рассеянного света. В таких серийно выпускаемых элементах КПД преобразования света в электричество составляет 10—18%, а у лучших серийных образцов на монокристаллическом кремнии превышает 20%.
|
| А.В.Наумов, НПП "Квант" |
Однако постепенно развивается и промышленность некремниевых тонкопленочных элементов. До промышленного производства добрались элементы на основе CdTe, CuInSe2 или CIS и GaAs/Ge. Например, в 2011 году американская компания «First Solar» завершила строительство заводов по выпуску элементов общей мощностью 2,376 ГВт на основе CdTе. ООО «Солнечный поток» совместно с Роснано и ФТИ им. А.Ф.Иоффе в Ставропольском крае планирует наладить производство элементов на основе GaAs/Ge. Предполагается, что к 2015 году объем выпуска этих установок составит около 85 МВт/год. Третья разновидность элементов — полимерные — находится на этапе исследований: их КПД пока не удается поднять до коммерчески выгодных 10%.
Некоторые исследователи считают, что развитие солнечной энергетики в целом должно идти именно по пути использования тонкопленочных элементов, поскольку у них высокий КПД — у арсенида галлия на германии уже сегодня более 30%, а низкие удельные расходы материалов позволяют сделать элемент недорогим. Однако для того, чтобы оценить их перспективы и соответственно перспективы всей солнечной энергетики, нужно понять, не столкнется ли массовое производство (с учетом предполагаемых площадей станций в десятки тысяч квадратных километров) с какими-либо ограничениями — например, с банальной нехваткой германия или индия.
В соответствии с директивами Евросоюза и других правительственных организаций, к 2025 году в мире (главным образом в США и ЕС) ежегодно должны вводиться в действие солнечные станции мощностью 160—170 ГВт. На самом деле это пока не очень реально: в рекордном 2011 году солнечных элементов было выпущено суммарной мощностью немногим более 27 ГВт.
Теллурид кадмия
Элементы на основе теллурида кадмия состоят из заднего контакта и стекла, между которыми расположены слои из ZnTe, CdTe и CdS. Сейчас их КПД примерно 12%, а в ближайшие годы ожидается увеличение до 15%.
На изготовление элемента площадью 1 м2сегодня идет около 10 г теллура и 9 г кадмия. При КПД 15% для генерации 1 кВт потребуется около 7 м2 солнечных батарей и соответственно 60 г Те и 54 г Сd. Чтобы генерировать 1 ГВт, понадобится 100 т Те и примерно столько же Cd.
В земной коре кадмия около 1,4 10-5 % (по массе), а добывают его попутно при производстве цинка. Общие мировые запасы кадмия, определенные по всем известным цинковым ресурсам, превышают 6 млн. тонн. Объемы мирового производства кадмия в 2009—2010 годах составили 17—20 тысяч тонн/год. Этого объема на солнечные батареи хватает с лихвой.
Иное дело теллур. Его кларк (константа распространенности элемента в земной коре) — 1 10-6 %. Теллур обычно встречается в сульфидных месторождениях меди, а также в полиметаллических рудах. Только по этим месторождениям мировые запасы теллура оценивают в 40—50 тысяч тонн. Главный источник теллура — шламы, образующиеся при электролитической очистке анодов меди. Данные по общему объему производимого в мире теллура неполны, но приближенно его производство можно оценить в 400—700 тонн/год.
Если оптимистично предположить, что производство теллура к 2025 году сможет вырасти вдвое и основной прирост пойдет на фотовольтаику (а ей потребуется 400—500 тонн), то вклад CdTe в солнечную энергетику достигнет 4—5 ГВт, или 2—3%. Этого явно недостаточно, чтобы стать серьезной альтернативой кремнию.
Однако даже такое развитие маловероятно: новая технология выщелачивания меди, разработанная в начале 90-х годов, приходит на смену получению меди из медных катодов. При этом не образуются электролитные шламы, содержащие Те. Поэтому производство меди в мире растет, а производство теллура если и увеличивается, то гораздо меньшими темпами.
CIGS (CuInGaSe2)
Пленки CuInGaSe2 очень хорошо поглощают солнечный свет, поэтому элементы из них имеют КПД до 14,5%. На получение 1 ГВт расходуется 15 т Cu, 20 т In, 4 т Ga и 55 т Se. Удельный вес этой технологии пока невелик, однако есть мнение, что вскоре они займут 12% рынка, а точнее, 20 ГВт в 2025 году.
Что может сдержать такой рост?
Кларк селена — 6 10-5 %. Как и теллур, он сопровождает медь, и получают его из шламов, образующихся при электролитической очистке анодов меди. Объемы мирового производства селена за 2008—2010 годы составляют около 2600— 2700 тонн/год. Индий — очень рассеянный элемент, его источником служат промежуточные продукты цинкового и свинцового производства. Мировые запасы индия оценивают в 25 тысяч тонн, разведанные — в 5—6 тысяч тонн, а общее производство составляет около 1100 тонн/год.
Галлия на земле много, его кларк существенно больше, чем у молибдена, вольфрама, сурьмы, ртути, мышьяка и висмута. Мировые ресурсы галлия только в бокситах превышают 1 млн. тонн, а ежегодно из недр земли извлекаются и перерабатываются бокситы, теоретически содержащие свыше 3 тысяч тонн галлия.
Первоочередным тормозом для этих солнечных элементов станет индий. Впрочем, если предположить, что к 2025 году солнечная энергетика сможет получать 300 тонн индия (сегодня для всех электронных приборов требуется около 110 тонн/год, остальное идет на производство плоских экранов мониторов), то это позволит произвести модулей с общей мощностью 15 ГВт, или 10% общего выпуска в 2025 году.
Возможно ли увеличение производства индия сверх этого уровня? Да, ведь производство цинка в мире растет. Так, только один из крупнейших цинковых рудников Кид Крик Майн в Онтарио обладает запасами в 3400 тонн индия. Российский индий извлекают из медноколчеданных месторождений Урала (75% объема всех российских цинковых концентратов, среднее содержание индия 3,2 г/т). Индий содержится также в полиметаллических месторождениях Южной Сибири и Приморья (среднее содержание индия 14,7 г/т). Всего же запасы российского индия учтены в рудах 61 месторождения. Если производство индия вырастет, то увеличится до 20% и доля таких элементов в солнечном энергобалансе — по мощности это 35 ГВт в год. Сырье для них исчерпается медленнее, чем для кадмий-теллуровых.
Арсенид галлия
Арсенид-галлиевыми называют элементы, содержащие несколько эпитаксиальных слоев GaInP, GaInAs или AlGaInP, нанесенных на подложку из Ge. Толщина такой гетероструктуры составляет около 1 мкм.
Использование подобных многокаскадных элементов дает рекордный КПД — 43,5% в настоящее время, а к 2020 году КПД промышленных элементов должно достигнуть 48%. Для экономии материала можно взять маленький элемент и разместить над ним большой концентратор света, например плоскую линзу Френеля. При этом свет концентрируется в несколько сотен раз — соответственно таким будет и соотношение размеров площадей элемента и линзы.
Арсенид галлия прекрасно переносит и нагрев, и сильное облучение — именно поэтому с ним возможна столь высокая концентрация света. Правда, к этому элементу нужно прилагать еще и поворотное устройство, которое постоянно ориентирует его на Солнце. Солнечные электростанции на арсениде галлия при оптической концентрации 500, занимая 5% площадей таких штатов, как Невада, Аризона, Нью-Мексика, могли бы генерировать мощность 1300 ГВт, или 42% всего внутреннего потребления США.
Как уже было сказано, запасов галлия для солнечной энергетики вполне хватает. Мышьяк тоже не кажется серьезной проблемой. В числе его источников — пыль, образующаяся при выплавке меди, золота и свинца; обожженный арсенопирит (наиболее распространенный рудный минерал свинца). Его получают как попутный продукт при переработке концентратов меди, свинца, кобальта, а также при получении фосфатов. Мировые ресурсы мышьяка, содержащиеся в медном и свинцовом природном сырье, оцениваются в 11 млн. тонн, а общее производство в 2009 году составило 53 500 тонн (в пересчете на трехокись мышьяка).
Сложнее оценить ситуацию с материалом подложки — германием. В земной коре его больше чем свинца, серебра, вольфрама, но он очень рассеян в природе. При производстве цинка германий остается в отвалах после выщелачивания цинковых огарков. При производстве свинца германий извлекают попутно из шлаков, при производстве меди — из пыли шахтной и отражательной плавок, пыли конверторов и возгонов. При промышленном сжигании углей германий распределяется между шлаком, остающимся в топочном пространстве, и летучей золой, уносимой вместе с газообразными продуктами горения. Общие ресурсы германия (исходя из ресурсов цинка) оценивают в 120 тысяч тонн, а в каменных углях — в 4—5 тысяч тонн. Последние 15 лет в мире производили 50—100 тонн германия в год и 30—50 тонн ежегодно извлекали после повторной переработки.
Если принять, что для получения 1 кВт нужно 15 г германия, то 100 тонн хватит, чтобы создать 6,7 ГВт солнечных элементов. В целом в мире ежегодное количество германия, которое можно было бы добыть из цинковых руд, составляет около 300 тонн, а извлекают лишь треть. Отсюда оптимистичная, но весьма вероятная оценка: к 2025 году можно получать 500 тонн германия в год и обеспечить выпуск 33 ГВт этих высокоэффективных элементов, или 15—20% заявленной потребности.
Если все суммировать, то по максимальным оценкам тонкопленочные элементы смогут обеспечить к 2025 году введение в строй не более 80—90 ГВт солнечных электростанций. Могут ли кремниевые элементы дать недостающее количество? По формальным расчетам — да. Однако сегодня основной способ получения полупроводникового кремния — Сименс-процесс с использованием ядовитого трихлорсилана — это чрезвычайно грязное производство. Его расширение чревато неприятными последствиями. Так, когда в начале 2008 года в китайском городе Гаолун (Gaolong) четыреххлористый кремний разлился на поля и рядом со школами, случились крупномасштабные волнения. С 2009 года в КНР запрещены новые поликремниевые проекты с использованием традиционных процессов.
Заменой Сименс-процесса может быть какая-либо технология, в которой не образуются ядовитые вещества. Например, метод, включающий синтез силицида магния, кислотное гидрирование и получение высокочистого моносилана (SiH4).
Полученный таким образом дешевый моносилан можно использовать и для производства полупроводникового кремния, и для производства тонкопленочных элементов на базе микроморфно-аморфного кремния, к выпуску которых в настоящее время приступает предприятие «Хэвэл», созданное совместно с «Роснано».
Получается, что массовое развитие солнечной энергетики должно будет использовать все имеющиеся технологии, которые отнюдь не станут конкурировать между собой. Более того, разработка новых технологий приведет только к расширению использования устройств для преобразования солнечного света в электричество.