The directions of development of photovoltaic technologies, taking into account resource limitations

Abstract

The author considers resource limitations that arise under intensive development of renewable energy and, in particular, on the basis of solar photovoltaic power generation. The prospects of photovoltaic devices based on silicon solar cells with vertical p-n junctions are shown in this article.

Full Text

Введение В последние годы все острее встает вопрос о ресурсных и экологических ограничениях развития традиционной мировой энергетики. Первичные энергетические ресурсы становятся все более труднодоступными и высоко затратными. Увеличение скорости потребления энергетических ресурсов, неизбежное при повышении численности населения Земли, ведет к возрастающему темпу сокращения потенциальных запасов доступных энергетических ресурсов. Именно поэтому в современной энергетике возобновляемые источники вносят все больший вклад в энергетический баланс.Однако в последние два года в мировой литературе появились статьи, посвященные материальным ресурсам возобновляемой энергетики и, в частности, их ограничениям при интенсивном развитии солнечной энергетики. С этой точки зрения необходим анализ возможных ограничений и возможных путей их преодоления. Хорошо известно, что солнечная энергия является самым глобальным источником энергии для человечества [1, 2]. Публикации по проблемам ресурсных ограничений рассматривают широкий спектр технологий. Так, в [3-5] рассматриваются вопросы влияния масштабного производства биотоплива на производство сельскохозяйственного производства продуктов питания. В [6] приводится анализ ресурсных ограничений возобновляемых источников энергии (ВИЭ) с точки зрения использования водородных технологий. Подробный экономический анализ возможных ограничений с учетом тенденций в традиционной и нетрадиционной энергетике для развития электрического транспорта приводится в [7]. Ограничения по использованию различных материалов при широкомасштабном росте солнечных концентраторных технологий с термодинамическим циклом приводится в [8]. Остановимся подробнее на солнечных фотоэлектрических технологиях, ежегодный прирост которых за последние 10 лет составил 30 – 40%. Прежде всего, необходимо отметить колоссальный прогресс в задаче повышения КПД солнечных элементов (СЭ) различных типов, изготовленных по различным технологиям из самых разных материалов (рисунок 1, NationalRenewableEnergyLaboratory, USA, 2010). Рисунок 1 – Прогресс в росте КПД солнечных элементов различных типов Кажется очевидным, что основные усилия и финансовые средства должны вкладываться в СЭ с наивысшим КПД. Действительно, огромные финансовые вливания в концентраторные технологии, в частности в США, принесли ощутимые результаты: рекордные значения КПД достигли 42%. Однако анализ ресурсных ограничений фотоэлектрической промышленности [9], проведенный с учетом существующих прогнозов, приводит к другим выводам. Заметим, что прогнозы спроса на энергию составляют 28 ТВт к 2050 году и 46 ТВт к 2100 году. Развертывание технологий солнечного фотоэлектричества в качестве источника электроэнергии будет расширяться в масштабе до десятков тераватт пик установленной мощности для того, чтобы стать заметным источником энергии в будущем. Из нынешних коммерческих и развиваемых технологий СЭ, большинство имеют естественные ограничения ресурсов, которые не позволяют им достичь тераваттных масштабов. Эти ограничения включают высокие затраты энергии для производства кристаллического кремния, ограниченное производство материалов для солнечных элементов на GaAs и нехватку материалов для CdTe, CIGS, сенсибилизированных красителем солнечных элементов, на основе кристаллического кремния и тонкопленочных Si солнечных элементов. В [9] рассмотрены ограничения по лучшим сценариям развития для тонкопленочных солнечных элементов на основе CdTe,GaAs,CIGS (медь, индий, галлий и селенид), сенсибилизированных красителем солнечных элементов и солнечных элементов на монокристаллическом кремнии. Показано, что без существенных технологических прорывов, эти технологии в сочетании смогут удовлетворить лишь несколько процентов (~2%) нашего спроса на энергию в 2100 году. Так, табл.1 суммирует оценки максимальной пиковой мощности по оптимистичным сценариям для различных технологий использования СЭ, основанных на известных ресурсных базах лимитирующего материала в каждой из технологий. При использовании всех четырех технологий (CdTe, CIGS, сенсибилизированных красителем, и кристаллических на Si), они будут обеспечивать не более 4% от спроса на энергию в 2100 году, однако это оценки по лучшему сценарию; реально эти технологии, вероятно, обеспечат в лучшем случае 1-2% от 2100 спроса на энергоносители. Таблица 1 Оценка пиковой мощности по лучшему сценарию для различных технологий солнечных элементов на основе ресурсной базы лимитирующего материала. Технологиясолнечных элементов КПД(%) Ограничивающий материал Материальная база элемента (метрические тонны) Максимальные пиковые мощности Усредненный выход(ГВт) % от потребностей в энергии к 2100 CdTe 10,6 Теллур 48000 816ГВтпик 120–160 0,4 CIGS 11,5 Индий 16000 650ГВтпик 100–130 0,3 Сенсибилизированные красителем 7 Рутений 5000 890ГВтпик 135–180 0,4 Кристаллический-Si 15 Серебро 400000 5,7ТВтпик 860–1150 2,5 Значительные технологические прорывы должны быть достигнуты, чтобы преодолеть некоторые из этих ресурсных ограничений, таких альтернативных технологий, как, например, без использования металлического серебра в качестве передних контактов солнечных элементов на кристаллическом кремнии. В таблице 2 суммированы оценки по оптимистичным сценариям текущего производства для различных технологий использования солнечных элементов, основанных на известных ресурсных базах лимитирующего материала в каждой из технологий. Если считать, что солнечные батареи имеют 30-летний срок службы, они должны устанавливаться в масштабах около 500 ГВт/год для того,чтобы достичь 15 ТВт через 30 лет, а затем поддерживать установленные 15 ТВт пик мощности. При нынешних темпах производства многих материалов, большинство из текущих технологий солнечных элементов может производиться только в масштабах несколько гигаваттпик в год. СЭ на основе кристаллического кремния - единственная технология, которая ближе всего к этому показателю ~300 ГВт пик по лучшему сценарию и ~100 ГВт пик по реалистическому. Однако использование кристаллического кремния в солнечных элементах планарного приведет к истощению запаса серебра через 19 лет. Такие же материалы, как GaAs для солнечных батарей необходимо добывать гораздо более высокими темпами для того, чтобы производить эти солнечные элементы с более высокой скоростью. Таблица 2 Оценка по лучшему сценарию ежегодного производства для различных технологий СЭ на основег одового производства лимитирующего материала. Технология солнечныхэ лементов КПД(%) Ограничивающий материал Годовое производство (метрические тонны) Годовая пиковая мощность (ГВтпик) Число лет до истощения CdTe 10,6 Теллур 135(6) 2,3 355 CIGS 11,5 Галлий 167(6) 26 25 GaAs 28,8 Галлий 167(6) 11 не доступно Сенсибилизированные красителем 7 Рутений 12(11) 2,2 405 Кристаллический Si 15 Серебро 21400(6) 305 19 Рисунок 2 – Концентраторные установки на основе СЭ с вертикальными p-n переходами (слева Россия, В. Симакин, И. Тюхов и др., работы на стадии НИР, 2007-2009,слева США, B. Saterи др. работы на стадии ОКР, 2011) Несмотря на многочисленные попытки создания СЭ из новых материаловили с использованием принципиально новых физических принципов, на фотоэлектрическом рынке все еще доминируют СЭ на основе монокристаллических кремниевых пластин (СЭ первого поколения) [10]. Концепция СЭ с вертикальными p-n переходами, впервые разработанная в России (Стребков Д.С. и др.) и параллельно разрабатываемая в США (B. Sater), в частности, с использованием алюминия в качестве материала, соединяющего полупроводниковые структуры в единое целое [11], позволяет обойти ресурсное ограничение, связанное с применением серебряных контактов [9]. Использование таких СЭ в концентраторных установках снижает потребности в относительно дорогих кремниевых СЭ, а дополнительное тепло, получаемое при охлаждении СЭ, позволяет получить больший суммарный КПД [12-15] (рисунок 1) по сравнению с лучшими, концентраторными СЭ. К тому же, использование кремниевых технологий не требует существенной переделки существующего технологического оборудования – дополнительно требуются лишь установки для спекания (сращивания) кремниевых пластин. Выполненные по этому направлению НИР (ФГУП ВЭИ) [13] (рисунок 2, справа), а в США НИР и ОКР (GreenFieldSolar) [16] (рисунок 2, слева), подтвердили правильность описанного подхода. Установка, разработанная во ФГУП ВЭИ в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России», передана в Университет машиностроения на кафедру ЮНЕСКО «Техника экологически чистых производств» для организации дальнейшего использования в учебно-исследовательских проектах. С точки зрения дальнейшего развития этого направления важно подчеркнуть, что технология базируется на кремнии, в течение длительного времени занимающем лидирующее положение и являющимся базовым сырьевым материалом электронной и электротехнической промышленности для производства широкого спектра полупроводниковых приборов, и, что особенно важно, не попадает под ресурсные ограничения в рассматриваемый период (до 2100 г.). Выводы Ресурсные ограничения, возникающие с ростом традиционных и интенсивно разрабатываемых ВИЭ, требуют дальнейших подробных исследований. Например, существуют опасения, что из-за производства биотоплива цены на продукты будут расти и при этом еды на всех жителей Земли все равно может не хватить. Все это требуют подробного экономического анализа;при этом выбор перспективных технологий должен осуществляться с учетом оценки существующих материальных ресурсов.Технологии, которые не попадают под ресурсные ограничения и перспективны с точки зрения массового производства, должны поддерживаться не только в рамках НИР, но и ОКР. Результаты разработок, проведенных в России и США, показывают высокий потенциал использования комбинированных концентраторных систем на основе кремниевых СЭ с вертикальными p-n переходами, обладающими высокой суммарной эффективностью (по генерации электричества и тепла) и в минимальной степени подверженными ресурсным ограничениям.