Олег Никифоров
Для обеспечения электроэнергией космических аппаратов нужны большие поверхности фотоэлектрических преобразователей и соответственно много сырья для их изготовления.
Фото NASA
Сегодня солнечная энергетика широко применяется в случаях, когда малодоступность других источников энергии в совокупности с изобилием солнечного излучения оправдывает ее экономически. Однако основным препятствием широкому применению солнечных батарей для производства электроэнергии является их достаточно высокая для рядового потребителя стоимость. Напомним, что наиболее эффективными с энергетической точки зрения устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП). В лабораторных условиях уже достигнут КПД 40%, а его увеличение до 50% представляется вполне реальным. В качестве наиболее вероятных материалов для фотоэлектрических систем преобразования солнечной энергии СЭС в настоящее время рассматривается кремний и арсенид галлия (GaAs). Бурное развитие солнечной энергетики было связано со снижением цен на кремниевые фотоэлектрические батареи. На Западе ожидается переворот в энергетике в момент перехода цены трехдолларового рубежа за ватт. По некоторым расчетам, это могло бы произойти уже в 2007 году, а для России при условии сохранения нынешних энерготарифов этот момент наступил бы, по подсчетам специалистов Института высоких температур РАН, при цене 1 ватта солнечных батарей в 0,3–0,5 доллара, то есть при цене на порядок ниже. Тут играют роль следующие факторы: тарифы, климат, географические широты, способности государства к реальному ценообразованию и долгосрочным инвестициям. Но сейчас впервые за долгое время цена солнечных батарей выросла из-за возникшего дефицита солнечного кремния. Хотя, по данным европейского объединения фотовольтаической промышленности (EPIA), количество кремния, необходимое для производства 1 ватта «солнечной» электроэнергии, снизилось с 2000 года по настоящее время с 17 граммов до 10 граммов соответственно.
Дело в том, что основными потребителями соединений кремния являются производители чугуна и стали. Ведущие потребители металлического кремния – это также заводы алюминия и алюминиевых сплавов, химическая промышленность. На долю полупроводниковой промышленности, которая производит чипы для компьютеров из высокочистого кремния, приходится только несколько процентов спроса на кремний. Мировые запасы кремния имеются в изобилии в большинстве производящих стран и способны обеспечить его производство в течение многих десятилетий. Источник кремния – кремнезем в различных природных формах, таких как кварцит. Но, по имеющимся сообщениям продавцов кремния, его производители начинают приостанавливать работу печей или проводят плановую остановку в связи с предлагаемой низкой ценой материала на рынке. Производители в Европе и Бразилии существенно сокращают поставки кремния и посредством этого пытаются стимулировать рынок. Этому процессу способствует то обстоятельство, что мировое производство кремния для изготовления солнечных батарей на 80% находится в руках четырех фирм. Это немецкий концерн Wacker Chemie, американские фирмы Hemlock Semiconductor и Solar Grade Silicon, а также японская Tokuyama Corporation. Если в 90-е годы цена кремния для солнечных батарей составляла около 40–45 долларов за кг, то в период 2002–2003 гг. она выросла почти на 50%. В долгосрочных контрактах на поставку она достигает цены 45–50 долларов за кг, а по данным Маттиаса Ретца, начальника отдела сбыта компании по производству солнечных батарей немецкой компании Q-Cells, на спотовых рынках цена немедленной поставки достигает более 200 долларов за кг.
Поэтому европейские производители солнечных батарей активно ведут исследования по нескольким направлениям. Большое внимание уделяется технологии изготовления ячеек с более тонким (в 100–200 раз) слоем кремния, хотя это и приводит к уменьшению КПД установки. Сейчас в Европе строится 10 таких фабрик, которые будут производить солнечные модули с утонченным слоем кремния. В ближайшие два года инвестиции в их строительство составят 500 млн. евро. Некоторые производители предполагают отказаться от кремния и перейти на соединения кадмия и теллуридов или меди-индия и селена (так называемой CIS-ячейки). Немецкая компания Wurth Solar GmbH & Co. KG в Баден-Вюртемберге уже строит такую установку по производству CIS-ячеек стоимостью в 55 млн. евро. В Калифорнии фирма Start-up Nanosolar планирует строительство такой же фабрики. И хотя многие ученые считают, что без кремния не обойтись, поскольку запасы редкоземельных материалов не так уж обширны, многие фирмы ищут заменители кремнию среди полимеров. Дрезденская фирма Heliatek намерена с помощью полимеров снизить стоимость однокиловаттной фотовольтаической установки ниже 1000 евро. Тогда электроток, произведенный с ее помощью, будет стоить не более 10 центов за 1 кВт-ч. Конструкторы фирмы изготавливают фотовольтаические ячейки вместо кремния из полимера, на который наносится слой металла или стекла. Все остальное функционирует как и в случае традиционного изготовления из кремния. Солнечный свет освобождает электроны, которые и превращаются в электрический ток.
