CC BY
42Статья поступила в редакцию 21.05.12. Ред. рег. № 1330
The article has entered in publishing office 21.05.12. Ed. reg. No. 1330
УДК 621.382.2/3
КОНЦЕНТРАТОРНАЯ СОЛНЕЧНАЯ ФОТОЭНЕРГЕТИКА
В.М. Андреев
Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН 194021 Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 26 Тел.: +7-812-2975649, факс: +7-812-2971017, e-mail: vmandreev@mail.ioffe.ru
Заключение совета рецензентов: 22.05.12 Заключение совета экспертов: 23.05.12 Принято к публикации: 24.05.12
Учеными ФТИ им. А.Ф. Иоффе внесен существенный вклад в создание высокоэффективных солнечных элементов на основе гетероструктур. Достигнуты КПД гетероструктурных каскадных солнечных элементов, превышающие 37% (1000 «солнц»), что в 2-3 раза выше, чем в существующих кремниевых и тонкопленочных солнечных батареях. На основе этих фотопреобразователей в ФТИ разработаны энергоустановки нового поколения с концентраторами солнечного излучения, открывающие перспективы существенного снижения стоимости получаемой электроэнергии за счет большей эффективности и снижения в 1000 раз площади солнечных элементов пропорционально кратности концентрирования солнечного излучения.
Ключевые слова: солнечный элемент, концентратор солнечного излучения, фотоэнергоустановка.
CONCENTRATOR SOLAR PHOTOVOLTAICS V.M. Andreev
Ioffe Physical-Technical Institute of the Russian Academy of Sciences 26 Polytechnicheskaya str., St.-Petersburg, 194021, Russia Tel.: +7-812-2975649, fax: +7-812-2971017, e-mail: vmandreev@mail.ioffe.ru
Referred: 22.05.12 Expertise: 23.05.12 Accepted: 24.05.12
The scientists of the Ioffe Institute have significantly contributed to the development of high-efficiency solar cells based on heterostructures. The efficiency of heterostructure cascade solar cells exceeds 37% (1000 suns), which is in 2-3 times that for silicon and thin-film solar arrays. New-generation CPV installations with sunlight concentrators have been elaborated at the Ioffe Institute on the basis of these solar cells, which open up prospects for a significant reduction of the cost of generated electric power due to the higher efficiency of solar cells and their 1000 times smaller area (in proportion to the sunlight concentration ratio).
Keywords: solar cell, sunlight concentrator, photovoltaic installation.
Сведения об авторе: зав. лабораторией фотоэлектрических преобразователей. Профессор, д-р техн. наук. Лауреат Ленинской и Государственной премий СССР, премии им. А.Ф. Иоффе РАН и Международной Беккерелевской премии, премии Фонда А.Гумбольдта. Заслуженный деятель науки РФ. С 1975 г. - преподавательская деятельность в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете (ЛЭТИ).
Образование: Ленинградский электротехнический институт им. В.И. Ульянова (Ленина) Область научных интересов: физика и технология полупроводников и солнечная фотоэнергетика.
Публикации: более 350, в том числе 90 авторских свидетельств и патентов на изобретения, 4 монографии.
Андреев
Ivb
Вячеслав Михайлович
Актуальность развития солнечной фотоэнергетики
Значение солнечной фотоэнергетики для мировой экономики определяют следующие факторы:
- запасы нефти и газа постепенно истощаются, и солнечное электричество должно компенсировать их уменьшающуюся добычу;
- увеличивающийся выброс двуокиси углерода в атмосферу должен обусловить ускоренное развитие экологически чистой солнечной фотоэнергетики для снижения загрязнения окружающей среды;
- внедрение фотоэнергетики позволяет демонополизировать и децентрализовать рынок электроэнергетики, обеспечивая эффективную конкуренцию и поддержку независимых производителей энергии;
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 05-06 (109-110) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
- уже сегодня фотоэнергетика экономически рентабельна для ряда применений, например, для обеспечения электроэнергией автономных потребителей и для низковольтного электрообеспечения (дежурное освещение, датчики, сенсоры и др.).
Кроме этих факторов, касающихся энергетики, имеются и социальные факторы, определяющие необходимость государственной поддержки возобновляемой энергетики, и в первую очередь солнечной фотоэнергетики:
- более двух миллиардов людей в мире не имеют доступа к централизованному снабжению электричеством, причем большинство из них живет в солнечном поясе Земли. Организация системы централизованного электроснабжения невыгодна в ряде этих районов и потребовала бы огромных капитальных вложений. Этот фактор важен также и для России с ее большой территорией;
- скрытые социальные затраты на компенсацию вредного воздействия «тепловых» электростанций (лечение болезней, потери из-за уменьшения продолжительности жизни и др.) распределены на все общество и составляют более 50% цены производимой ими энергии. Если включить эти затраты прямо в тарифы на топливо и энергию, то экологически чистая фотоэнергетика станет конкурентоспособной уже на данном этапе ее развития;
- значительная часть стоимости электроэнергии от существующих электростанций распределена на все общество не только ныне живущих людей, но и будущих поколений. Наши дети и внуки будут лишены ископаемых ресурсов. Необходимо осознать факт прямого и косвенного государственного субсидирования традиционной энергетики. В связи с этим очевидно, что государственная поддержка возобновляемой энергетики должна проводиться в значительно больших масштабах.
Состояние работ по солнечной фотоэнергетике в России и мире
Современный мировой рынок фотоэнергетики -это вполне сложившийся, быстроразвивающийся сегмент мировой экономики с возрастающим темпом роста. Объем производства солнечных батарей с 2000 г. растет на 30-50% в год. В 2011 г. было произведено солнечных батарей на установленную мощность более 26 ГВт. Суммарная мощность установленных солнечных фотоэнергосистем к началу 2012 г. составила 67 ГВт. Согласно прогнозам, к середине века Солнце будет источником энергии, сравнимым по объемам с ископаемыми источниками, используемыми в традиционной электроэнергетике.
В большинстве европейских стран приняты государственные законы, стимулирующие развитие возобновляемой энергетики. Это так называемые законы «Feed-in Tariff», в соответствии с которыми государство гарантирует покупку по увеличенным тарифам электроэнергии, получаемой от возобнов-
ляемых источников. Например, в ряде стран электроэнергия, получаемая с помощью солнечных батарей, покупается государством по цене 0,3-0,4 евро за 1 кВт-ч, заметно превышающей стоимость сетевой электроэнергии. Данные законы обеспечили значительное увеличение мощностей солнечных фотоэнергосистем, установленных в Германии, Испании, Италии и других странах.
Несмотря на положительные тенденции развития фотоэнергетики, имеется существенный сдерживающий фактор - высокая стоимость фотоэнергосистем, обусловленная как дороговизной основного материала - кремния, так и дороговизной технологического процесса. На рис. 1 приведены примеры солнечных батарей трех типов.
III
Рис. 1. Солнечные батареи трех поколении: I - на основе кристаллического кремния;
II - с тонкопленочной структурой; III - гетероструктурные
с концентрированием солнечного излучения Fig. 1. Solar arrays of three generations: I - based on crystalline silicon; II - with thin-film structures;
III - with heterostructure solar cells and sunlight concentrators
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 05-06 (109-110) 2012 © Научно-технический центр «TATA», 2012
Солнечные батареи первого типа изготавливаются на основе моно- и поликристаллического кремния. Они имеют в производстве КПД 13-15% при малом потенциале дальнейшего увеличения эффективности. Однако доля таких батарей составляет около 90% от всего объема выпускаемой фотоэлектрической продукции. Оставшуюся долю, увеличивающуюся в последние годы, обеспечивают тонкопленочные батареи (второй тип), изготавливаемые на основе аморфного кремния, а также соединений СОТе и Си1ива8е2. КПД таких батарей в производстве составляет 8-11%, т.е. заметно ниже, чем в кремниевых батареях. Главное преимущество тонкопленочных батарей - это возможность снижения стоимости за счет уменьшения в десятки раз расхода полупроводниковых материалов. Наконец в последнее время на рынок выходят солнечные батареи третьего типа на основе наногетероструктурных каскадных фотопреобразователей и концентраторов солнечного излучения. Они являются наиболее перспективными с точки зрения увеличения КПД до значений более 40% и радикального (в 500-1000 раз) снижения расхода полупроводниковых материалов в соответствии с кратностью концентрирования излучения.
Отечественные исследования и разработки в области солнечных батарей на основе кремния проводятся с конца 1950-х годов. За прошедшие 60 лет накоплен большой опыт в области создания батарей космического назначения (ОАО «НПП «Квант», ОАО «Сатурн»), а также наземных батарей (фирма «Солнечный ветер», г. Краснодар; ОАО «Рязанский завод металлокерамических приборов»; «Телеком-СТВ», г. Зеленоград и другие). В 2008-2010 гг. при поддержке ГК «Роснанотех» стартовали три новых «солнечных» проекта: один - по производству поликристаллического кремния для солнечных батарей и микроэлектроники («НИТОЛ Солар»), второй - по производству солнечных батарей на основе аморфного кремния (ГК «Ренова» при участии ФТИ им. А. Ф. Иоффе) с планируемым выпуском батарей на мощность 120 МВт/год и третий - по выпуску солнечных фотоэнергоустановок на основе каскадных гетероструктур и концентраторов солнечного излучения с объемом производства 95 МВт/год (ФТИ им. А. Ф. Иоффе, ООО «Солнечный поток»).
Гетероструктурные фотопреобразователи на основе соединений А3В5 уже широко используются как в наземной, так и в космической энергетике. Несмотря на большую исходную стоимость, использование гетероструктурных космических батарей позволяет существенно снизить суммарные затраты на запуск и эксплуатацию космических аппаратов благодаря увеличению в два раза удельного энергосъема и увеличению ресурса работы в космосе. Производство каскадных космических батарей является чрезвычайно важным для России, учитывая значимость программ космических исследований и повышения обороноспособности страны, развития систем космической связи, информационных и информационно-управляющих систем.
Значительное внимание в мире уделяется также и разработкам наземных концентраторных солнечных фотоэнергосистем на основе каскадных гетерострук-тур. Ряд фирм, например, «Ашошх», «8о1РосиБ» (США), «СоисеШпх-ЗоИес» (Германия-Франция), объявили об организации промышленного выпуска таких систем, которые должны обеспечить существенное снижение стоимости «солнечного» электричества.
Работы ФТИ им. А.Ф. Иоффе в области концентраторной гетероструктурной фотоэнергетики
Создание в ФТИ им. А.Ф. Иоффе впервые в мире в 1969 г. солнечных элементов на основе АЮаАБ-ваАБ гетероструктур [1-4] открыло новую страницу в солнечной фотоэнергетике. В гетероструктурах /»-АЮаАБ (широкозонное окно) - (р-п)ваАБ (фотоактивная область) удалось формировать бездефектную гетерогра-ницу и обеспечивать идеальные условия для фотогенерации электронно-дырочных пар и их собирания р-п-переходом. Поскольку гетерофотоэлементы с арсе-нид-галлиевой фотоактивной областью оказались еще и более радиационно-стойкими по сравнению с кремнием, они быстро нашли применение в космической технике. Примером масштабного энергетического использования АЮаАБ/ваАБ солнечных батарей явилось оснащение ими в 1986 г. базового модуля советской орбитальной станции «Мир».
В последние годы в ФТИ достигнуто значительное увеличение КПД в каскадных гетероструктурных фотопреобразователях [5-9] за счет «расщепления» солнечного излучения на несколько спектральных интервалов и осуществления более эффективного преобразования энергии фотонов каждого из этих интервалов в определенной части полупроводниковой структуры. Трехкаскадные фотопреобразователи включают в себя три фотоактивных области, выполненные из трех полупроводников ОаГпР/ваАБ/Ое с шириной запрещенной зоны, уменьшающейся от фронтальной освещаемой поверхности фотопреобразователя (рис. 2). Коротковолновая часть солнечного излучения преобразуется в ва1иР-области, средневолновая часть - в ваАБ-области и инфракрасная часть - в ве-области.
В ФТИ накоплен значительный опыт по созданию «космических» каскадных солнечных элементов с использованием современного метода металлоор-ганической эпитаксии из газовой фазы. Для космических применений созданы каскадные солнечные элементы Ое/ваАБ/ваГпР, в которых достигнуты значения КПД, превышающие 28% для внеатмосферного солнечного излучения. На основе разработанных каскадных фотопреобразователей и концентраторов (линз Френеля) созданы космические кон-центраторные модули, обеспечивающие повышение удельного энергосъема и снижение стоимости солнечных батарей.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 05-06 (109-110) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
Солнечное излучение
Снижение оптических потерь: сетчатый контакт, антиотражающее покрытие
Снижение «контактных» потерь
Снижение потерь на межсоединения благодаря использованию туннельных p-n переходов
т
^íeV M-
Преобразование 20 нм$ коротковолновой части (4GG-67G нм) солнечного спектра
Преобразование «среднего» участка (670-900 нм) солнечного спектра
Преобразование ИК-части (900-1650 нм) солнечного спектра M-1
Согласование параметров решетки
и применение наноразмерных слоев
Снижение «поверхностных» рекомбинационных потерь
Снижение объемных рекомбинационных потерь: тыльные потенциальные барьеры
Ограничение носителей тока
Отражение фотонов Согласование фототоков
Рис. 2. Гетероструктурный каскадный солнечный элемент Fig. 2. Heterostructure cascade solar cell
Рис. 3. Солнечная концентраторная фотоэлектрическая установка мощностью 1 кВт Fig. 3. Solar concentrator photovoltaic installation with 1 kW output
В ФТИ разработаны также наземные трехпере-ходные каскадные солнечные элементы Оа1пР/ОаАБ/Ое и Оа1пР/ОаАз/Оа8Ь с КПД более 37% при концентрированном солнечном облучении. При большем количестве каскадов возможно увеличение КПД до 45-50%. На базе высокоэффективных фотопреобразователей в ФТИ спроектированы и реализованы на практике солнечные концентраторные энергоустановки с устройствами слежения за Солнцем. Особенностью конструкции разработанных солнечных модулей являются малые линейные размеры концентраторов и фотопреобразователей (при соотношении их площадей порядка тысячи), благодаря чему перегрев солнечных элементов относительно температуры окружающей среды не превышает 35 °С.
Модули с концентраторами излучения должны быть все время точно ориентированы на Солнце, что обеспечивается разработанными в ФТИ прецизионными системами слежения за Солнцем. В разработанных фотоэлектрических установках (рис. 3) модули расположены ступенчато на электромеханической системе слежения, снабженной датчиком положения Солнца. Такое конструктивное решение способствует снижению влияния ветровых нагрузок. Работая в полностью автоматическом режиме, установки расходуют на собственные нужды лишь около 0,1% от энергии, генерируемой размещенными на них модулями. В то же время обеспечивается максимальное собирание солнечной энергии модулями в течение дня, что дает дополнительный выигрыш от
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 05-06 (109-110) 2012 Л Э © Научно-технический центр «TATA», 2012 •+J
применения концентраторных модулей и систем слежения за Солнцем по сравнению с неподвижно закрепленными солнечными модулями на основе кремния и тонких пленок.
Производство концентраторных фотоэнергосистем на основе гетероструктурных фотопреобразователей позволит в сотни раз уменьшить потребность в полупроводниковых материалах. Так, 1 килограмм полупроводника, работающего в концентраторной фотоэнергосистеме, за 25 лет выработает столько же электроэнергии, сколько ее может быть получено при сгорании 5 тыс. тонн нефти. Себестоимость 1 Вт установленной мощности концентраторных фотоэнергосистем составит менее 1,5 долл. США, т.е. будет снижена приблизительно в 2 раза по сравнению с существующим мировым уровнем и ценами, что должно обеспечить достижение паритета стоимости солнечной и сетевой электроэнергии, в т.ч. в регионах РФ с высокой инсоляцией.
Солнечная фотоэнергетика зародилась во многом за счет развития электроэнергетики для космических аппаратов. Созданная научно-технологическая база была использована для развертывания «новой энергетики», при которой снижены экологические опасности разного рода, а проблемы истощения ресурсов и их неравномерного распределения по странам в значительной степени сглажены.
Список литературы
1. Алферов Ж.И., Андреев В.М., Каган М.Б., Протасов И.И., Трофим В.Г. Солнечные преобразователи на основе гетеропереходов р-А^ва^АБ - п-ваАБ // Физика и техника полупроводников. 1970. Т. 4, № 12. С. 2378-2379.
2. Андреев В.М., Долгинов Л.М., Третьяков Д.Н. Жидкофазная эпитаксия в технологии полупроводниковых приборов. М.: Советское радио, 1975.
3. Андреев В.М., Грилихес В. А., Румянцев В. Д. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения. Л.: Наука, 1989.
4. Andreev V.M, Grilikhes V.A, Rumyantsev V.D. Photovoltaic Conversion of Concentrated Sunlight. N.Y.: John Wiley & Sons Ltd, 1997.
5. Alferov Zh.I., Andreev V.M., Rumyantsev V.D. III-V heterostructures in photovoltaics // Concentrator Photovoltaics // Springer Series in Optical Sciences. 2007. Vol. 130, P. 25-50.
6. Alferov Zh.I., Andreev V.M., Rumyantsev V.D. III-V solar cells and concentrator arrays // High-Efficient Low-Cost Photovoltaics // Springer Series in Optical Sciences. 2008. Vol. 140. P. 101-141.
7. Андреев В.М. Нанотехнологии для солнечной фотоэнергетики // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 2007. № 2 (46). C. 93-98.
8. Андреев В.М., Забродский А.Г., Когновицкий С.О. Интегрированная солнечно-ветровая энергетическая установка с накопителем энергии на основе водородного цикла // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 2007. № 2 (46). C. 99-105.
9. Хвостиков В.П., Власов А.С., Сорокина С.В., Потапович Н.С., Тимошина Н.Х., Шварц М.З., Андреев В.М. Высокоэффективный (п = 39,6%, АМ1.5D) каскад фотопреобразователей в системе со спектральным расщеплением солнечного излучения // Физика и техника полупроводников. 2011. Т. 45, № 6. С. 810-815.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 05-06 (109-110) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
