Оценка возможностей роста производства солнечных элементов в период 2010-2025 гг. Часть 2
Плеханов С.И., Наумов А.В.
ОАО НПП «КВАНТ» 2010
СЭ на А3В5/Ge с концентраторами. Современный СЭ на основе А3В5 представляет собой несколько эпитаксиальных слоев GaInP, GaInAs или AlGaInP на подложке из Ge. Толщина фотоактивной области гетероструктуры составляет около 1 мкм. (Рис.3)
Рис.3 Многокаскадный СЭ на А3В5 на Ge подложке, структура и внешний вид
Использование многокаскадных СЭ на основе GaAs/Ge дало заметное увеличение КПД (42.3% в 2009 г.). Особенно перспективно использование таких СЭ в сочетание с оптическим концентратором солнечного излучения с кратностью до 1000. Подобные солнечные электростанции 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.
Для наземных СЭ на А3В5/Ge исследовательская компания Strategy Analytics предполагает рост 133%/год до 2012 г. и занятие 10% общего PV-рынка с объемом 20.2 млрд долл. Рассмотрим основные используемые материалы.
Мышьяк:
Получение мышьяка выглядит гораздо меньшей проблемой. Получение мышьяка возможно из целого ряда источников. К их числу относятся 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. В КНР, на севере Перу и Филиппинах ресурсы этого металла заключены в реальгаре и аури-пигменте, в Чили — в медно-золотых рудах, Канаде — на месторождениях золота. Мировые ресурсы мышьяка, содержащиеся в медном и свинцовом природном сырье, оцениваются примерно в 11 млн т.Общее производство в 2009 г. составило 53 500 т (в пересчете на трехокись мышьяка).
Галлий:
Имеющегося в бокситах галлия, как отмечалось, хватит на огромное количество СЭ. При расходе галлия 1 гр. Ga на КВт только 2% сегодняшнего годового производства галлия хватит для производства генерирующих мощностей на 30 ГВт. Т.о. ни галлий, ни мышьяк не будут лимитирующим фактором для развития СЭ на А3В5/Ge.
Германий:
Сложнее оценить ситуацию с подложечным материалом — германием. В земной коре германия не очень мало —
В мире ежегодное количество германия, содержащееся в добываемых цинковых рудах, составляет ~ 300 т, из которых извлекается
Итак, германий все-таки остается лимитирующим фактором для данной технологии. Оптимистичная, но весьма вероятная цифра 500 т германия к 2025 г. может обеспечить выпуск 33 ГВт СЭ на А3В5 (или
Сегодня, как отмечалось, на традиционном Si изготавливается СЭ мощностью около 7 ГВт. Однако, экологическая опасность и дороговизна традиционных технологий получения кремния заставляет усомниться, что развитие солнечной энергетики пойдет только по пути тиражирования существующего основного способа производства Si-СЭ Сименс-методом из трихлорсилана.
Проблемы уже начались. В начале 2008 г., в городе Gaolong, Китай, местное население испытало последствия аварийного разлива четыреххлористого кремния (попутного продукта в Сименс-процессе) на с/х поля и вблизи школ. Реакцией на это были крупномасштабные волнения. В 2009 г. в ответ на неправильное обращение с отходами, специально созданная регулирующая правительственная группа Китая постановила, что никакие новые поли-кремниевые проекты с использованием традиционных процессов не будут одобряться. Даже если предположить, что к 2025 г. мощности традиционного Сименс метода удастся увеличить в
Оставшаяся «лакуна» должна быть заполнена какими-либо иными, не рассмотренными в данной работе технологиями. Рассмотрим кремниевые аморфные тонкопленочные элементы. (Рис.4). На первый взгляд тонкопленочные аморфные Si-СЭ, в силу своей низкой стоимости, имеют неоспоримые преимущества:
— малый расход материалов — толщина кристаллического кремния около 200 мкм, а у тонкопленочных до
— эффективность
Однако, аморфные СЭ обладают серьезными недостатками:
— значительная деградация к.п.д. — при продолжительном воздействии солнечной радиации в течение нескольких месяцев эффективность падает на
— эффективность, практически в два раза меньше и соответственно для выработки того же количества энергии (при одинаковых условиях) требуется в два раза большая площадь для их размещения;
— сложное и дорогостоящее оборудование для их массового производства;
— высокочистые, дорогостоящие газы (при увеличении объемов производства тонкопленочных элементов ожидается дефицит газов, прежде всего моносилана).
Рис.4 Структура и внешний вид аморфных Si СЭ.
Существуют тонкопленочные СЭ второго поколения, например на базе микроморфно-аморфного кремния по технологии Oerlikon&Hevel Solar. (Рис.5). Такие СЭ, по утверждениям разработчиков, показывают деградацию не более 10% за 10 лет и могут стать одним из перспективных направлений развития СЭ. Однако, проблема получения дешевого моносилана в больших количествах остается актуальной.
Рис.5 Структура и внешний вид аморфно-микроморфных СЭ
С этой точки зрения достаточно перспективно выглядит технология синтеза силицида магния, кислотное гидрирование, получение и очистка SiH4 разработанная в НПО «КВАНТ». Магнийтермический метод основан на получении высокочистого моносилана (SiH4), синтезированного при кислотном гидролизе силицида магния:
Mg2Si + 2HCl = MgCl2 + SiH4
Полученный таким образом дешевый моносилан можно использовать для производства тонкопленочных СЭ второго поколения.
Заключение — во-первых, рассматриваемые технологии, включая традиционные, не буду вытеснять друг друга, так как их совокупных усилий не хватит для обеспечения необходимых темпов роста, они будут развиваться параллельно;
— во-вторых, это означает, что инвесторы не могут позволить себе вкладывать все деньги на развитие только в рассмотренные и традиционные технологии. Финансирование новых альтернативных технологий должно быть продолжено.