Солнечная энергетика — это одна из тех сфер, где благие намерения человечества почти всегда опережают технические возможности и экономические реалии. Создатель первой солнечной панели, американский изобретатель Чарльз Фриттс, ещё в 1881 году предсказывал, что уже совсем скоро обычные электростанции будут заменены на солнечные. И это несмотря на то, что созданная им установка имела КПД всего 1%, то есть именно столько солнечного света превращалось в электричество. Спустя 140 лет мечта Чарльза Фриттса так и не сбылась: гелиоэнергетика всё ещё борется за место под солнцем с ветряными мельницами генераторами, геотермальными источниками и полезными ископаемыми. Что тормозит солнечную революцию и какими методами пытаются улучшить солнечные батареи?
Казалось бы, придумав солнечную энергетику, мы протянули невидимый провод к самому мощному реактору в нашей планетной системе, который не погаснет как минимум ещё пять миллиардов лет (а там подумаем). Но человечеству понадобился ещё почти век, чтобы увеличить эффективность солнечной панели всего на пять процентных пунктов — это случилось, когда учёные из Bell Labs создали более мощную батарею в 1954 году.
Тем не менее прогресс в гелиоэнергетике в последние годы был внушительным. В неё инвестируют больше, чем в какой-либо другой возобновляемый источник энергии (ВИЭ). При этом средняя стоимость «солнечного электричества» с 2010 года снизилась с $0,371 до $0,085 за кВт·ч.
В последние годы инвестиции в солнечную энергетику стагнируют. Источник: International Renewable Energy Agency (IRENA), Frankfurt School-UNEP Centre/BNEF
И всё же солнечная электроэнергетика пока не завоевала мир. Даже Германия, которая за первое полугодие 2019 года выработала на ВИЭ больше энергии, чем на угле и атоме, не спешит расставаться с мощностями на буром угле. К 2030 году планируется сократить их с текущих 45 ГВт до 37 ГВт. При этом во многом экономический успех солнечной энергетики по-прежнему обеспечивается налоговой политикой и субсидиями. Этим объясняется один парадокс: оптовые цены на электроэнергию в ФРГ одни из самых низких в Европе, а конечные — одни из самых высоких.
Почему солнечной электроэнергетике всё ещё нужны «финансовые костыли»? Причины такие:
• солнечная энергия остаётся не самой эффективной — коэффициент использования установленной мощности (КИУМ), то есть отношение фактически выработанной энергии к проектной, установленной производителем для солнечных панелей, составляет 13-18% зимой и 30-35% летом, что является самым низким значением среди других ВИЭ, а также газа и угля;
• отсюда и более высокая стоимость солнечной энергии — в среднем по миру она составляет $0,085 за кВт·ч, тогда как в биоэнергетике — $0,062, у геотермальных источников — $0,072, гидроэлектростанций — $0,047; дороже только ближайший конкурент — ветряные установки вдали от моря с показателем $0,127, хотя морские прибрежные дают энергию по $0,056 за кВт·ч;
• нестабильность поступления фотонов от светила заставляет использовать дополнительные приборы для накопления и распределения энергии (о варианте решения этой проблемы мы, кстати, рассказывали);
• для солнечной энергосистемы нужно много места, будь то огромная станция в поле (а земля вблизи городов дорогая) или домашняя электроустановка, к которой надо не только подключить инвертор и аккумулятор, но и обеспечить доступ для техобслуживания.
Чтобы решить эти проблемы, нужно сделать солнечные панели более дешёвыми, эффективными и — в прямом смысле этого слова — гибкими.
Кремниевый диктат
Солнечные панели состоят из материала, который хорошо улавливает энергию света. Обычно этот материал зажат между металлическими пластинами, которые переносят захваченную энергию далее по цепи. В той самой солнечной панели 1954 года выпуска за авторством инженеров Bell Labs главную роль играл кремний. Он же со многими модификациями и по сей день господствует в производстве фотоэлементов для солнечных батарей, составляя основу 95% панелей.
За полвека человечество разработало несколько типов кремниевых солнечных батарей. Самую большую долю мирового рынка занимают поликристаллические кремниевые панели. Пользуются спросом они благодаря относительной доступности, которая обусловлена более дешёвой технологией производства. Но и КПД у таких панелей ниже, чем у аналогов (14-17%, максимум — 22%). Более дорогой, но и более эффективный вариант — монокристаллические кремниевые панели. Их КПД составляет порядка 22% (максимум — 27%).
Какие технологии производства солнечных панелей господствуют в мире. Как видим, по большей части производятся поликристаллические солнечные модули (61%), в меньшей степени — моно- (32%), и совсем немного тонкопленочных (аморфных) — 5%. Источник: Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems; PSE Conferences & Consulting GmbH
Несмотря на прогресс в экономике и технике солнечных панелей, их стоимость остаётся высокой. К ней нужно прибавлять и расходы на создание собственно энергетической установки (контроллер, инвертор, аккумулятор), без которой батарея не работает. В разных странах эти величины колеблются, но доля расходов, собственно, на фотоэлектрический блок всё равно высока.
Из чего складывается стоимость «солнечного киловатта» в разных странах? Как видно, в странах-лидерах внедрения гелиоэнергетики от трети до почти половины расходов — это стоимость модуля. Источник: International Renewable Energy Agency (IRENA)
Не кремнием единым
В попытке разработать более эффективные панели были созданы тонкоплёночные (аморфные) модули. Их суть проста: улавливающий свет материал наносится очень тонким слоем на плёнку, благодаря чему панель становится более лёгкой и гибкой, а её производство требует меньше материалов.
Правда, КПД у них намного меньше, чем у собратьев по солнечному цеху — 6-8% для кремниевых вариантов. Тем не менее, по себестоимости тонкоплёночные солнечные элементы выигрывают, потому что для них требуется слой светоулавливающего вещества шириной всего от 2 до 8 мкм, что составляет всего около 1% от того, что используется в обычных кристаллических модулях.
Но тонкоплёночные панели не идеальны: из-за малого КПД они требуют примерно в 2,5 раза больше площади для размещения. Это подвигло учёных дальше искать более эффективный материал, который, с одной стороны, подойдёт для плёночной технологии, а с другой — будет эффективнее. Так появились панели, в основу которых положены более экзотичные соединения: теллурид кадмия (CdTe) и селенид индия-меди-галлия (CIGS). Эти элементы имеют больший КПД — в первом случае показатель достигает 22%, а во втором — 21%. Такие системы меньше теряют эффективность при повышении температуры и лучше работают при плохой освещённости. Однако их стоимость выше кремниевых аналогов ввиду редкости используемых материалов. Некоторые учёные вовсе считают, что такие панели никогда не будут преобладать на рынке, потому что для них не хватит природных ресурсов. Поэтому такой тип солнечных батарей стал нишевым товаром, подходящим для специфических целей узкого круга потребителей. Чаще всего тонкоплёночные панели используют потребители с большим запасом места: производственные предприятия, офисные здания, университеты и научные центры, большие многоквартирные дома (с просторной крышей), а также, собственно, солнечные фермы — большие электростанции. Эффект масштаба и относительная простота установки более прочных и лёгких тонкоплёночных панелей помогает нивелировать их сравнительно более низкую (по сравнению кристаллическим кремнием) эффективность. Между тем поиски идеального «ловца» фотонов продолжаются.
Привет от русского графа
Кандидатом на роль возможного спасителя гелиоэнергетики может стать материал под названием перовскит. Первый из таких — титанат кальция — в 1839 году отыскал во глубине уральских руд немец Густав Розе и назвал его именем русского коллекционера горных пород графа Л. А. Перовского, поэтому с тех пор иногда именуется «русским минералом».
Сегодня, когда говорят о перовските, чаще всего имеют в виду целый класс веществ, которые имеют одинаковую трёхчастную кристаллическую структуру, впервые выявленную у титаната кальция. Хотя в чистом виде такие вещества редко встречаются в природе, их легко получить из массы других соединений, а кристаллы перовскитов можно выращивать искусственно. Каждая часть структуры перовскита может быть изготовлена из различных элементов, что даёт очень широкий диапазон возможных составов «ловца фотонов», включающих свинец, барий, лантан и другие элементы. Так, уже установлено, что соединение перовскита с некоторыми щелочными металлами позволяет создать солнечный фотоэлемент с КПД до 22%, а теоретическая мощность соединений на основе перовскита достигает 31%.
Однако работать с перовскитом не так просто, и мы в Toshiba в этом убедились. После нанесения на плёнку перовскит кристаллизуется очень быстро, из-за чего трудно создать ровный слой на большой площади. Между тем, в этом и заключается главная задача при создании солнечного элемента: достичь как можно большей площади поверхности с сохранением при этом высокой эффективности преобразования энергии.
В июне 2018 года Toshiba изготовила тонкоплёночный солнечный элемент на основе перовскита с самой большой площадью поверхности и при этом самой высокой в мире эффективностью преобразования энергии. Как это удалось сделать?
Мы разделили ингредиенты, необходимые для образования перовскита (раствор йодида свинца — PbI₂, метиламмонийгидройодид — MAI). Сначала мы покрыли подложку раствором PbI₂, а затем раствором MAI. Благодаря этому мы смогли отрегулировать скорость роста кристаллов на плёнке, что дало возможность создать ровный и тонкий слой большой площади.
Технология производства солнечного модуля на основе перовскита. По сути, мы создаем «чернила» из составных элементов перовскита и «размазываем» их по подложке. Источник: Toshiba
Экономика перовскита
Хотя о конкретных экономических показателях применения перовскита говорить рано, так как широкое практическое использование этого материала в солнечных батареях прогнозируется после 2025 года, у «русского минерала» есть предпосылки большого и успешного будущего. По прогнозам экспертов Национальной лаборатории возобновляемой энергии США (National Renewable Energy Laboratory, NREL), производство перовскитовых панелей будет в десять раз дешевле, чем у кремниевых аналогов. Не в последнюю очередь потому, для изготовления господствующих ныне кремниевых солнечных элементов требуется обработка материала при температуре более 1 400 градусов и, соответственно, сложное оборудование. С перовскитами, между тем, можно управиться в жидком растворе при температуре 100 градусов на несложном оборудовании (как в нашем эксперименте).
Созданный нами модуль на основе перовскита имеет площадь 703 кв. см. А полученная нами эффективность преобразования энергии достигла 12%. Источник: Toshiba
Есть ещё два преимущества фотоэлементов на перовските — гибкость и прозрачность. Благодаря им солнечные батареи из перовскита могут быть установлены в самых разных местах: на стенах, на крышах транспортных средств и зданий, на окнах и даже на одежде.
Регулируя толщину слоя перовскита, можно контролировать прозрачность солнечных элементов на основе этого материала. К примеру, его можно использовать в покрытии теплиц: нужное количество фотонов будут получать растения, а часть из них — электросеть фермерского хозяйства. Эксперименты по определению разумного соотношения, потребляемого растениями и панелями света, уже проводятся у нас в Японии.
Ещё одна возможная сфера применений — оснащение электрокаров солнечными панелями на основе перовскита. Пока мы находимся в самом начале этого пути, но уже есть первые наработки. Так, учёные из Западного резервного университета Кейза (шт. Огайо, США) экспериментировали с использованием небольших солнечных батарей на основе перовскита для подзарядки аккумуляторов электромобилей. Они подключили четыре солнечных элемента на основе перовскита к литиевым батареям. При подключении для зарядки небольших литий-ионных батарей размером с монету команда учёных достигла эффективности преобразования в 7,8%, что в два раза меньше, чем у обычных тонкоплёночных солнечных батарей.
Не исключено также, что в скором времени ленты из перовскитовых солнечных панелей украсят вашу рубашку или пиджак. Известно уже о нанесении перовскита на полиуретановую подложку, КПД которой в поглощении солнца достигло 5,72%.
А в России пошли ещё дальше в экспериментах с перовскитом. Как оказалось, этот материал может быть хорошим излучателем и подходит для генерации света. Учёные из Московского института стали и сплавов (МИСиС) и Санкт-Петербургского университета информационных технологий механики и оптики разработали солнечный элемент на основе перовскита, который одновременно может работать как батарея и как светодиод. В основу положен галогенидный перовскит. Для переключения функций достаточно изменять подаваемое на прибор напряжение: при уровне до 1,0 В прототип работает как солнечный элемент, а если подать более 2,0 В — включается режим светодиода. В перспективе учёные могут разработать стекольные плёнки, которые в дневное время будут вырабатывать энергию, а в тёмное время суток излучать свет. При этом максимальная толщина плёнки не превысит 3 мкм, что позволит сохранить прозрачность стекла. То есть, темно не будет.
Практически по всем параметрам перовскит превосходит конкурентов, включая среднюю себестоимость электроэнергии на всем протяжении жизни солнечной батареи из заданного материала (Levelised Cost of Energy, LCOE). Сложности возможны только с утилизацией отживших панелей ввиду токсичности перовскитовых соединений. Источник: Group for Molecular Engineering of Functional Materials (GMF), Швейцария
Эффект масштаба
Итак, перовскит может помочь продвижению гелиоэнергетики не только за счёт своей экономической доступности, но и в силу намного более широкой области применения: помимо промышленности, городского и сельского хозяйства, панели на основе перовскита могут использоваться даже в быту, в частности в производстве автомобилей, мелкой электроники, бытовой техники и даже одежды. А чем более широкий спектр применения, тем выше ёмкость рынка, что привлечёт новых инвесторов и снижение стоимости солнечного электричества.
Источник
