Компьютерра - Журнал Компьютерра N782

1 Есть, правда, сомнения как в реалистичности этой суммы. так и в технологической реализуемости проекта Solaren вообще - Прим. ред.

2 Из расчета, что в 2004 году завершение строительства Богу-чансксй ГЭС. готовой на 60%. оценивалось в $2 млрдОднако эта энергия, как говорят физики, низкопотенциальная: если за пределами атмосферы поток солнечного излучения составляет 1353 Вт/м2 (так называемая солнечная постоянная), то на земной поверхности при нахождении солнца в зените он составит уже 925 Вт/мг, а при высоте солнца в 45° над горизонтом поток снижается до 845 Вт/м2. Так что с учетом смены дня и ночи средняя величина составит лишь 300-500 Вт/мг в солнечный день в южных широтах, а в Европе облачным днем может быть и гораздо меньше: 100-150 Вт/м2.

Для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую служат кремниевые солнечные элементы. Есть и другие типы элементов (Википедия насчитывает их десятка полтора), причем теоретически самые эффективные должны получаться на арсениде галлия (GaAs), но на практике такие элементы дороги, а эффективность их гораздо меньше теоретической из-за трудностей получения качественной монокристаллической пленки полупроводника. Поэтому около 90% солнечных фотоэлементов делаются на основе монокристаллического или поликристаллического кремния,

Первый солнечный элемент был создан в 1954 году в Bell Labs на основе кремния и имел КПД около 6%. Устройство типового современного элемента (их еще называют полупроводниковыми фотоэлектрическими преобразователями или фотовопьтаиче-скими элементами) показано на рис. 1. Как видно из рисунка, он состоит из защитного стекла с просветляющим покрытием, полупроводниковой зоны с л-проводимостью, покрытой тонкой прозрачной пленкой одного из контактов (отрицательного), и зоны с р-проводимостью, которая расположена на подложке, обычно являющейся одновременно и вторым (положительным)

контактом. Ранее солнечные батареи делались и без стекла с просветляющим покрытием, но их эффективность значительно ниже из-за потерь на отражение.

Напряжение такого элемента под нагрузкой составляет 0,45-0,47 В и, что интересно, мало зависит от освещенности. А вот вырабатываемый ток как раз напрямую определяется освещенностью. Мак-

КПД элемента падает с ростом температуры (примерно на 10% от начальной величины при повышении температуры с 25 до 60 °С), и в настоящее время для самых распространенных типов солнечных батарей остается удручающе мал в среднем 16%, с перспективой роста до 17,5% к 2010 году (по данным фирмы Nitol Solar). Состав полупроводника и па-

КПД ЭЛЕМЕНТА ДЛЯ РАСПРОСТРАНЕННЫХ ТИПОВ СОЛНЕЧ НЫХ БАТАРЕЙ ОСТАЕТСЯ УДРУЧАЮЩЕ МАЛ : В СРЕДНЕМ 16%

симальная эффективность однослойного преобразователя равна 31-37% (большая величина - при использовании концентраторов, увеличивающих освещенность). В многослойных элементах теоретическая эффективность растет (в пределе - до 72%), но от такого пути отказались из-за технологических трудностей. Более перспективными оказались эксперименты с полупроводниковыми структурами (например, построенными на базе переходов Шоттки - полупроводник-металл), но пока доля нетрадиционных структур в производстве мала.

ЛАБОРАТОРИИ

|ельзя не упомянуть и о последних достихенинх в области солнечных элементов. К примеру I ученые из Дубны довели КПД кремниевых элементов до 55%, заодно научив батарею питаться инфракрасными лучами (то есть работа возможна и ночью), правда, в очень сложной и дорогой гетероструктуре, включающей наночастицы золота и серебра.

Интереснейшее альтернативное решение предлагает группа американских исследователей из Национальной лаборатории Айдахо, Университета Миссури и компании MicroContinuum. Поскольку свет представляет собой электромагнитные колебания, значит, по закону индукции, он может возбуждать колебания во вторичном контуре - подобно тому, как это происходит в трансформаторах или радиоантеннах. Только в случае света размер контура должен быть 2-4 мкм. На керамической подложке ученые вырастили решетку из золотых спиралей нужного диаметра, которая при облучении инфракрасным светом генерирует сверх высокочастотное напряжение. Чтобы превратить его в постоянное, видимо, придется рядом выращивать структуры из выпрямительных сверхбыстродействующих диодов и миниатюрных конденсаторов. Вся эта работа, возможно, представляла бы чисто академический интерес, если б не теоретический КПД такого преобразования, достигающий 80%. Представляете себе батарею, которая днем работает от солнца, а ночью использует энергию инфракрасного излучения, накопленную за день нагретой землей! ¦

раметры перехода делают такими, чтобы обеспечить максимум эффективности в зелено-голубой области спектра (0,45-0,5 мкм), на которую приходится максимум солнечного излучения (при нахождении солнца не ниже 30° над горизонтом).

Но эффективностью как таковой технологические проблемы далеко не исчерпываются. Для фотоэлектрических преобразователей требуется особо чистый кремний (примеси резко снижают эффективность). Кроме того, если для болыиин-I ства микросхем или транзисторов разброс параметров в несколько раз в ту или иную сторону большой роли не играет, то для солнечной панели это критичный фак-I тор: элементы приходится отбирать по I параметрам. Слишком большой разброс в одном модуле заставит элементы работать друг на друга, что снизит и без того невысокий КПД.

Впрочем, технологи сражаются не столько за КПД, сколько за снижение себестоимости элементов при сохранении тех же параметров. Себестоимость можно снизить, например, путем уменьшения толщины пленки кремния: так, применение аморфного кремния позволяет делать пленки толщиной 0,5-1,0 мкм вместо 300 мкм для кристаллических. Кроме того, выращивать пленки аморфного кремния большой площади значительно проще технологически. Элементы получаются дешевыми, но увы, достигнутый

ПЕРИФЕРИЯ

технологии

на аморфном кремнии КПД не превышает 10% в лабораторных условиях (реально около 6%), и, кроме того, такие элементы быстрее деградируют. Тем не менее будущее связывают именно с аморфным кремнием: считается, что тонкопленочная технология позволит через пять-десять лет снизить стоимость батарей вдвое.

СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Низкая эффективность батарей приводит к тому, что солнечные электростанции требуют больших площадей. Так, рядовая солнечная электростанция мощностью 1 ГВт (примерно столько потре-

днику, что еще больше повышает стоимость батарей.

Один квадратный метр крыши, покрытой солнечными элементами, в среднеевропейских условиях может отдать мощность около 100 Вт. Обойдется такой квадратный метр долларов в пятьсот, то есть начальные вложения на каждый ватт составят примерно пять долларов, К цене самих солнечных модулей следует приплюсовать цену аккумуляторов и стабилизирующей системы, чтобы обеспечить круглосуточную работу, что добавит к цене каждого ватта еще как минимум доллар. Итого, пятикиловаттная система