ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ. СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ. НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ

Сравнительный анализ существующих на сегодняшний день тонкопленочных технологий для преобразования солнечной энергии в электроэнергию

В связи с тем, что основной материал солнечной энергетики — крем­ний — непрямозонный полупроводник и его коэффициент поглощения не­высок, для эффективного поглощения солнечного света толщина изготав­ливаемых солнечных элементов должна составлять сотни микрон. Это оп­ределяет наряду с затратным процессом получения кремния и его значи­тельный расход, а значит, и высокую стоимость солнечных модулей. Значи­тельно снизить расход используемого материала и его стоимость позволяет применение тонкопленочной технологии на основе материалов с высоким коэффициентом поглощения таких, как: CdTe, Cu(In, Ga)Se, которые приме­няются в виде поликристаллических пленок. К числу этих материалов от­носится и аморфный гидрогенизированный кремний. Но прежде чем оста­новиться на изложении технологии получения солнечных модулей на его основе, рассмотрим их достоинства и недостатки.

Тонкопленочная нанотехнология CdTe. В Европе в этой области очень активна одна компания («First Solar», www. firstsolar. com).

Преимущества:

• Высокий стабильный КПД (производственная эффективность солнеч­ного модуля порядка 10 %).

• Небольшие производственные издержки, результатом чего является очень низкая стоимость солнечных модулей.

Недостатки:

• Большая трудность контроля и воспроизведения процессов (низкий выход). Одновременно приходится контролировать два компонента — Cd и Te, а также их надлежащий состав.

• Теллур Te: редкоземельный металл, примерно в десять раз более редкий, чем In. Существует проблема гарантии поставок.

• Кадмий Cd: тяжелый металл. Необходимо учитывать аспекты ок­ружающей среды. СЭ в конце срока их службы необходимо специально утилизировать на свалках тяжелых металлов (дорогостоящая конечная процедура возврата и переработки СЭ, при которой затраты должен будет

принимать на себя изготовитель данных модулей). Ситуация выхода из строя СЭ в процессе эксплуатации: при разбитии стекла Cd может абсор­бироваться и загрязнить почву. Таким образом, требуются дополнительные дорогостоящие затраты на монтаж модулей.

• Полосовая конструкция модуля на единой подложке затрудняет обеспечение зазоров между отдельными полосами.

Тонкопленочная технология диселинида меди и индия CuInSe2 (CIS) и Cu(Ini_xGax)Se2 (CIGS) В этой области работают примерно 20 компаний (в ос­новном немецкие и из США). Пример — «Wurth Solar» (www. wuerthsolar. com) или же «Avancis» (www. avancis. com).

Преимущества:

• Высокий стабильный КПД (производственная эффективность модуля порядка 11-13 %).

• Технология получения слоев CuInSe2 проста и заключается в последо­вательном осаждении термическим испарением тонких слоев Ga, Se и Cu на поверхность подложки и последующего быстрого термического отжига.

Недостатки:

• Чрезвычайная трудность контроля и воспроизведения процессов (низ­кий выход годных элементов).

• Необходимость тщательного проектирование полос и зазоров в мо­дуле, которое трудно воспроизвести.

Высокотемпературный процесс осаждения. Для формирования CIS и CIGS используется целый ряд методов (испарение, распыление, газовый транспорт, пульверизация с последующим пиролизом, электрохимическое осаждение, трафаретная печать), которые можно разделить по методу сели- низации:

• методов, в которых Se вносится в слой одновременно с другими эле­ментами соединения;

• методов, в которых взаимодействие с Se производится в результате осаждения слоев других элементов соединенения.

В том и другом случае используется либо осаждение на подложку, нагре­тую до температуры 400-500 °С, либо отжиг сформированного слоя при этих температурах. В ходе реакции образуется слой CIS толщиной 1,5-2 мм.

• Индий и галлий: редкоземельные металлы. Для производства тонко­пленочных солнечных элементов CIS, способных генерировать 1 ГВт электро­энергии, требуется приблизительно 50 метрических тонн индия. Гарантиро­ванные ресурсы поставки индия порядка 2400 т. Проблема гарантии поставок.

140

• Движение цен. Цена одного килограмма индия составляла в 2003 г. 100 дол.; в 2005 г. она возросла до 1000 дол. Проблема стабильности цен на сырьевые материалы.

• Селениды. Должны приниматься во внимание аспекты охраны ок­ружающей среды и стоимость вторичной переработки.