ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ. СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ. НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ

ПЕРСПЕКТИВЫ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Характерной особенностью технической деятельности человечества во второй половине ХХ и в начале XXI веков является быстрый рост энергопо­требления. По оценкам [1], [2] потребности человечества в энергии по срав­нению с существующим уровнем потребления (~ 13 ТВт) к середине XXI в. более чем удвоятся (~ 30 ТВт), а к концу XXI в. — более чем утроятся (~ 46 ТВт). Это связано, во-первых, с ростом мировой экономики в целом (до 4 раз к 2050 г.), и резким экономическим ростом развивающихся стран, та­ких как Китай и Индия, население которых составляет 2/3 от численности на­селения планеты [3]. Во-вторых, связано с заметным ростом населения пла­неты. К 2050 г. численность населения Земли достигнет 10-11 млрд. человек.

Увеличение производства энергии до сих пор происходило в основном за счет использования ископаемых источников энергии — нефти, природного га­за, угля, ядерного топлива. Однако удовлетворить дальнейший рост энергопо­требления только за счет использования ископаемых источников невозможно.

В то же время происходит исчерпаемость традиционных источников энергии. Геофизик Кинг Хуберт одним из первых построил модель истоще­ния мировых запасов нефти и на ее основе предсказал пик добычи нефти в США (примерно на 1970 г.). Предсказал он и пик мировой добычи нефти (примерно на 1995 г.), однако этот прогноз не сбылся. Тем не менее, боль­шинство экспертов уверены, что это лишь вопрос времени, и увеличение глобальных потребностей в энергии исчерпает традиционные энергетиче­ские ресурсы к середине этого столетия. Технический прогресс, освоение новых труднодоступных месторождений (глубоководных и полярных ме­сторождений, битумных песков) только отодвигают исчерпание ресурсов. При этом надо понимать, что даже если запасы традиционных энергетиче­ских ресурсов не будут полностью истощены, будет наблюдаться их ост­рый дефицит и резкий рост цен.

Проблему нельзя решить также и за счет атомной энергетики, так как запасы урана ограничены.

Следующая проблема связана с экологическим и тепловым загрязнени­ем Земли, что может привести к необратимому изменению климата [4], [5].

Происходит загрязнение атмосферы в результате сжигания топлива, океана и суши нефтью, радиоактивными элементами в результате аварий, имеющих катастрофические глобальные последствия. Последний пример — авария на нефтедобывающей платформе в Мексиканском заливе в 2010 г. Уголь, залежи которого довольно велики, как энергоноситель не удовле­творяет современным экологическим требованиям. Активно разрабатыва­ются «чистые» способы его использования, однако это ведет к удорожанию стоимости получаемой энергии. Также существует серьезная проблема утилизации радиоактивных отходов.

Тепловое загрязнение Земли происходит при сжигании любого вида топ­лива: увеличивается концентрация CO2 в атмосфере, что способствует возник­новению «парникового эффекта». При увеличении роста производства энергии за счет сжигания топлива, включая ядерную энергетику, безопасный предел повышения температуры на Земле может быть достигнут уже в XXI веке.

Наконец, существует серьезная проблема — это энергобезопасность, ко­торая побуждает к диверсифицированию используемых источников энергии.

Необходимость борьбы с этими проблемами потребует от многих стран и, прежде всего, от индустриально развитых, значительных затрат и радикально­го снижения уровня использования углеводородного сырья. В результате, по оценкам эти причины не позволят удовлетворять растущие потребности миро­вой энергетики за счет ископаемых источников энергии уже через 10-15 лет.

Таким образом, в начале XXI века мировая энергетика столкнулась с необходимостью резкого изменения структуры источников потребляемой энергии.

По образному определению главного экономиста Международного энер­гетического агентства (МЭА) Фатиха Бироля при сохранении нынешних тем­пов роста энергопотребления к 2030 г. нужно будет либо найти «шесть новых Саудовских Аравий», либо сделать ставку на другие источники энергии.

Большинство аналитических исследований академических ученых и уче­ных компаний ТЭК предполагает значительное (до 30 %) увеличение доли не­традиционных возобновляемых источников в течение следующих 20-30 лет.

Возобновляемые источники энергии - это источники на основе посто­янно существующих или периодически возникающих в окружающей среде потоков энергии.

По классификации ООН (1978 г.), к нетрадиционным и возобновляе­мым источникам энергии относятся следующие:

1) торф;

2) энергия биомассы, которую получают из различных отходов: сельско­хозяйственных, лесного комплекса, коммунально-бытовых и промышленных;

3) энергетические плантации. К ним относятся сельскохозяйственные культуры, древесно-кустарниковая и травянистая растительность;

4) энергия ветра;

5) энергия солнца;

6) энергия водных потоков на суше, используемая на мини - и микро - ГЭС — гидроэлектростанциях мощностью менее 1 МВт;

7) средне и высокопотенциальная геотермальная энергия (гидротер­мальные и парогидротермальные источники);

8) энергия морей и океанов — приливы и отливы, течения, волны, тем­пературный градиент, градиент солености;

9) низкопотенциальная тепловая энергия земли, воздуха и воды, про­мышленных и бытовых стоков.

Развитые страны на протяжении многих лет ежегодно вкладывают в раз­витие альтернативных источников энергии миллиарды долларов. Существуют государственные программы поддержки развития возобновляемых источни­ков энергии. Однако в настоящее время возобновляемые (альтернативные) источники энергии пока не могут конкурировать с традиционными. Суммар­ная их доля в общем объеме потребляемой энергии составляет 8-10 % про­центов, но к 2020 году она существенно возрастет, как показано на рисунке.

Структура мирового энергопотребления в 2020 г.

Основная причина неконкурентоспособности — экономическая — до­роговизна вырабатываемой энергии [1].

Кроме того, все возобновляемые источники энергии имеют ограниче­ния, связанные, например, с расположением объекта, наличием определен­ных климатических условий, характеризуются либо ограниченным потен­циалом, либо значительными трудностями широкого использования [6].

Одним из самых привлекательных и перспективных возобновляемых источников энергии всегда считалась фотовольтаика, т. е. прямое преобра­зование солнечной энергии в электрическую. Солнце может обеспечить растущие потребности в энергии в течение многих сотен лет. Общее коли­чество солнечной энергии, поступающей на Землю в течение часа, превы­шает количество потребляемой человечеством энергии в течение года.

За последние 20-30 лет темпы роста солнечной энергетики составляли в среднем примерно 25 %. Согласно прогнозам в XXI веке развитие солнечной энергетики будет оставаться основным среди всех альтернативных источников. По оценкам к 2050 г. солнечная энергия может обеспечить 20-25 % мирового производства энергии, а к концу XXI века солнечная энергетика должна стать доминирующим источником энергии с долей, достигающей 60 % [7]-[10].

Несмотря на значительные темпы роста и впечатляющие оценки пер­спектив солнечной энергетики, объем вырабатываемой в настоящее время фотовольтаикой электроэнергии мал по сравнению с другими возобновляе­мыми источниками энергии. Основным барьером, препятствующим тттиро - кому внедрению солнечных элементов, является высокая стоимость выраба­тываемой ими электроэнергии [11]. На сегодня это самый дорогой вид элек­троэнергии, практически полностью дотируемый государствами.

Цена на электроэнергию, вырабатываемую фотовольтаикой, составляет от 20 до 65 евроцентов/кВт-ч. Цена на электроэнергию, вырабатываемую тради­ционными источниками энергии, составляет в настоящее время от 2 до 3,5 евро - цента/кВт-ч и по прогнозам к 2020 г. возрастет до 5-6 евроцентов/кВт-ч.

Таким образом, для того, чтобы фотовольтаика могла конкурировать с ископаемыми источниками энергии, цена на вырабатываемую ею электро­энергию должна быть снижена примерно в 5-10 раз. Для этого необходимо разработать эффективные, дешевые технологии и конструкции фотоэлек­трических преобразователей (ФЭП). Перспективным направлением сниже­ния стоимости вырабатываемой фотовольтаикой электроэнергии является разработка технологии тонкопленочных солнечных элементов (СЭ) на осно­ве аморфного гидрогенизированного и микрокристаллического кремния [7].

Цена производимой электроэнергии определяется, прежде всего, стоимостью материала, из которого изготовлен СЭ, и затратами технологи­ческого процесса производства СЭ. Основным материалом для изготовле­ния солнечных элементов в настоящее время является кристаллический кремний, так как он является основным материалом всей твердотельной

электроники, и его производство отлажено.

7

Основным недостатком СЭ на основе кристаллического кремния явля­ется их высокая стоимость, так как 50 % от общей стоимости данных эле­ментов составляет стоимость Si-подложки. При изготовлении СЭ данного вида используется высококачественное сырье, производство которого в на­стоящее время является очень энергозатратным. Велики общие потери кремния в результате его обработки и резки. В связи с тем, что монокри­сталлический и поликристаллический кремний непрямозонные полупро­водники и их коэффициент поглощения невысок, для эффективного погло­щения солнечного света толщина изготавливаемых из них ФЭПов должна составлять сотни микрон. Это приводит к значительным расходам кремния и высокой стоимости солнечных элементов.

Таким образом, перспективным представляется создание тонкопленоч­ных солнечных элементов на основе аморфного гидрогенизированного и микрокристаллического кремния вместо дорогостоящего кристаллического кремния. Тонкопленочная технология имеет большие потенциальные воз­можности для снижения стоимости солнечных модулей. Темпы снижения стоимости производства тонкопленочных солнечных модулей значительно выше, чем модулей на основе кристаллического кремния.

Кроме того, тонкопленочная технология имеет ряд специфических применений, невозможных или затрудненных при использовании кристал­лических полупроводников (гибкие модули, полупрозрачные модули и т. д.). Одним из достоинств тонкопленочной технологии является получение слоев аморфного гидрогенизированного и микрокристаллического кремния при низкой температуре. Это дает возможность создавать полупроводниковые структуры на гибких подложках. СЭ на гибкой основе имеют малый вес, монтируются на любой поверхности и могут использоваться для изготовле­ния сумок, чехлов, встраиваться в одежду и т. д. Полупрозрачные модули различного цвета находят применение, например, для украшения зданий. Наконец, существенным достоинством тонкопленочной технологии является возможность создания приборных структур на очень больших площадях.

По прогнозам, производство тонкопленочных фотоэлектрических пре­образователей уже после 2010 г. значительно возрастет.