Совокупная установленная мощность солнечных модулей на Земле за последние десять лет возросла более чем в 15 раз, достигнув 700 ГВт. Но этот сегмент энергетики совсем небольшой – в 2020 г. солнечные панели на Земле произвели всего около 3% мирового электричества. А десять лет назад было на порядок меньше – около 0,2%.

 

В 1883 г. американский инженер Фриттс создал прототип солнечной батареи из позолоченного селена с КПД 1%. Итальянский ученый армянского происхождения Джакомо Чамичан в 1912 г. представил проект своей солнечной батареи. В 1930-х гг. в СССР сернисто-таллиевые фотоэлементы были созданы под руководством академика Абрама Иоффе. Близкие к современным солнечные батареи на основе кремниевых полупроводников впервые изготовили в компании Bell Laboratories. КПД их батарей составлял всего 4%. Тем не менее и с такими батареями в 1958 г. в космос отправился американский спутник Vanguard 1.

 
В том же году полетел в космос советский «Спутник-3» с кремниевыми солнечными батареями на борту.

 
Коэффициент полезного действия (КПД) серийных промышленных солнечных батарей (оснащенных электроникой кремниевых модулей) за последние 10–15 лет вырос от 16% до 20%, а в лабораторных экземплярах (не инкапсулированных элементах) – до 24–26%. Теоретический предел кремниевых монокристаллических батарей – 29,4%. Этот тип солнечных элементов по-прежнему остается самым популярным, как и десятки лет назад. Он занимает около 95% современного рынка фотовольтаических элементов для преобразования солнечной энергии.

 
Самые солнечные страны

 
Оценивать развитие солнечной энергетики в среднем на планете очень непросто. В одних странах ее нет совсем, в других она присутствует чисто символически, зато в некоторых уже составляет заметную долю от общей выработки энергии. Лидером в этой области, несомненно, является Китай, где с 2010-го по 2020 г. суммарная номинальная электрическая мощность всех модулей источников преобразования солнечной энергии составила 253 ГВт. Это в полтора раза больше, чем во всех странах ЕС, вместе взятых. Почти вчетверо меньше составляет установленная мощность солнечных элементов, появившихся за тот же период в США (73,8 ГВт) и Японии (67 ГВт).

 
Недалеко от них Германия (53,8 ГВт), Индия (39 ГВт), Италия (21,6 ГВт), Австралия (17 ГВт), Вьетнам (16,5 ГВт), Франция (11,7 ГВт). Остальные страны, включая солнечные Бразилию и
Таиланд, произвели за десять лет оборудования с номинальной мощностью солнечных электростанций менее 10 ГВт, а некоторые, например Аргентина, – менее 1 ГВт. Докладывая о развитии сектора солнечной энергетики, эксперты редко прибегают к абсолютным значениям, поскольку в большинстве государств эти цифры выглядят очень невыгодно. Чаще всего называют рекордные темпы роста, которые действительно такими являются во многих государствах. Так, например, с 2015 г. Россия увеличила выработку энергии на солнечных элементах в 14 раз – с 0,1 ГВт до 1,4 ГВт. Причем только за 2020 г. это значение выросло на 39% (с 1,1 ГВт до 1,4 ГВт). Цифры пока крошечные, зато темпы отличные.

 
Солнечные элементы монокристаллического типа (тонкие пластины из куска кремния) – надежные, «кондовые», долговечные, со своими очевидными плюсами и минусами. Недолгое время они проигрывали в цене тонкопленочным солнечным элементам, где слои из аморфного (без кристаллической структуры атомов) кремния, нанесенного на обычное стекло или другую подложку. Но КПД таких элементов составлял всего 10%, а цены на монокристаллический кремний снижались, и вскоре тонкопленочные солнечные элементы заняли свою небольшую нишу – дешевый сегмент легких мобильных батарей, например, для подзарядки телефонов на природе. Основной упор по усовершенствованию технологии в качестве перспективной зеленой альтернативы углеводородным топливам сегодня делается на монокристаллическую технологию, где центральный элемент представляет собой тонко нарезанные пластины-слайсы из цельного кремниевого «бруска».

 
Весь покрытый пленками

 
Лаборатории экспериментируют с разными соединениями, каждое со своими преимуществами и недостатками. Получая превосходный результат по одним параметрам, исследователи неизбежно проигрывают по другим, и этот бесконечный процесс борьбы за техническое превосходство при сохранении экономической целесообразности похож на мировую гонку – кто быстрее и дешевле придумает оптимальное решение. Сейчас основная ставка в этой гонке – на гетероструктуры. Они относятся к подложечным устройствам, поскольку в них в качестве подложки используется пластина монокристаллического кремния. Она покрыта с обеих сторон множественными пленками из разных материалов, у каждого из которых своя функция. Обычно с обеих сторон монокристалла тонкие пленки из аморфного кремния. Кристаллический и аморфный кремний – это два материала с различной структурой, отсюда и термин «гетеро».

 
«Счет в индустрии в терминах эффективности идет на единицы и даже на десятые доли процента. В качестве примера – увеличение средней эффективности солнечной панели стандартного размера с 15% до 20% привел к росту ее номинальной мощности с 250 Вт до 370 Вт, то есть в полтора раза – объяснил кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института теплофизики им. С. С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН Александр Замчий взаимосвязь «небольших» побед по увеличению КПД солнечного элемента с революционными практическими результатами.

 
Александр работал над повышением эффективности солнечных элементов в Институте энергетических исследований исследовательского центра Юлиха в Германии в рамках стажировки по стипендии DAAD в составе большой международной группы. Работа, опубликованная в NatureEnergy, выполнена с коллегами из Нидерландов, России, Китая и Эквадора. Исследователям удалось выяснить, что слои из карбида и диоксида кремния, используемые в качестве лицевой пленки-контакта для солнечных элементов из монокристаллического кремния, могут сочетать исправление абсолютно большей части структурных дефектов, которые снижают проводимость поверхности кремниевой пластины и обеспечивают высокую оптическую прозрачность.

 
Борьба за каждый электрон

 
Новые прозрачные пассивирующие пленки-контакты из карбида и диоксида кремния, покрывающие солнечные элементы с фронтальной стороны, повысили КПД солнечной батареи до 24%. В определенных диапазонах энергии, поступающей на солнечный элемент, уровень прозрачности пленки из карбида кремния в десять раз превышает параметры пленок из аморфного кремния, то есть при одинаковой толщине пленки она пропустит в десять раз больше солнечного света, который преобразуется в электрическую энергию. Это не повысит КПД в десять раз, разумеется, поскольку КПД складывается не только из прозрачности, но еще из пассивации и проводимости. Меняя один параметр, к сожалению, нельзя зафиксировать все остальные. У пленок из аморфного кремния пассивация выше, а с прозрачностью не очень хорошо, поэтому этот слой размещен снизу пластины.

 
За последние полгода со времени выхода статьи в NatureEnergy ученые провели целый ряд расчетов с различными покрытиями, пытаясь не потерять прозрачность и увеличить пассивацию пленки из карбида кремния. Проанализировав все результаты своих экспериментов, они создали целую «дорожную карту», согласно которой у них есть все шансы гарантированно повысить КПД солнечных элементов еще на 1% в ближайшие полтора года, то есть довести его до 25%. Поверх уже имеющихся пленок ученые нанесли антиотражающие антибликовые покрытия из фторида магния, стараясь, чтобы еще меньше фотонов отразилось от поверхности солнечного элемента.

 
Помимо увеличения многослойности, авторы работы приняли решение сократить занимаемую площадь мельчайших металлических электродов, густая сеть из которых покрывает солнечный элемент, разделяя его на узенькие сегменты. Снизу солнечного элемента электрод выглядит как сплошная серебряная пленка из термопасты, которую наносят методом трафаретной печати, раскаляя ее до 200 градусов. Тем же методом поверх всей тонкопленочной структуры наносят узенькие серебряные дорожки. Авторы статьи посчитали, что дорожки существенно затеняют панель, занимая слишком много «места под солнцем». Оптимизировав процесс металлизации, они вдвое сократят ширину проводящих серебряных контактов (от 60 до 30 микрон) и тем самым еще немного повысят КПД.

 

Мария Роговая