Солнечная энергетика 4 (стр. 8 из 10)
CZTS-ячейка, установившая рекорд для фотоэлектрических батарей данного типа (фото IBM Research).
Отметим, достижение Дэвида и коллег состоит не в выборе материала (с CZTS учёные ставили опыты и раньше), а в разработке технологии, позволившей на этой базе построить столь эффективные ячейки. Обычно для создания финального полупроводникового композита учёные применяют растворение определённых составов в нужных растворителях, однако соединения цинка были нерастворимы.
Чтобы обойти эту проблему, исследователи использовали комбинацию из растворённых смесей и взвеси крошечных твёрдых частиц, создав своего рода чернила, которые можно было распылять на подложке. Нагрев последней приводил к формированию финального материала. Сейчас авторы этой технологии работают над улучшением своих батарей. Они поставили целью поднять КПД до 12%, что гарантировало бы удовлетворительный 10-процентный КПД для аналогичных ячеек, выработанных не в лаборатории, а на заводе.
Кроме того, Мици и его соратники стремятся снизить содержание селена в этих ячейках, в идеале чтобы они практически полностью состояли из доступных и дешёвых элементов. В текущей версии CZTS селена, к слову, вдвое меньше, чем было в предыдущих образцах.
Рис. 11. CZTS-ячейка
Этот путь, как и оригинальные идеи, воплощённые в других родственных проектах, ведёт нас к эпохе, когда недорогие и действительно миниатюрные солнечные батареи начнут в массовом порядке встраивать в самую разнообразную технику — сенсоры и датчики, медицинские имплантаты и карманную электронику...
А на другом краю шкалы уже виднеются те самые огромные поля солнечных батарей, только уже новых — более дешёвых. Тут тоже масштаб играет большую роль — экономия в центы, полученная на "миллиметровых" образцах, в промышленном варианте означает экономию в миллионы, а следовательно, подлинный взлёт солнечной энергетики.
8. Новая технология заимствует принцип у листьев лотоса
Группа исследователей Технологического Института Джорджии разработали новый способ обработки кремниевых фотоэлементов, увеличивающий поглощение света за счет захвата света трехмерными структурами на поверхности и делающий поверхность самоочищающейся.
Обработка поверхности состоит в двух видах химического травления, приводящих к формирования структур на микронном и нанометровом масштабе. Двухуровневая шероховатость в виде структур микронного и нанометрового размера – подражание гидрофобной поверхности листьев лотоса, которые имеют аналогичные структуры, заставляющие дождевую воду или росу собираться в капли и скатываться с листьев, собирая по дороге всю пыль и грязь.
Кроме того, трехмерная структура способна поглощать больше, а отражать меньше света. Отраженному от гладкой поверхности свету ничто не мешает безвозвратно улететь в пространство. Если же на поверхности есть микрорельеф, значительная часть лучей попадает не на горизонтальную поверхность, а на “сколны” микроскопических “гор”. Отражаясь от них лучи со значительной вероятности попадут снова на другие “склоны”, и так пока полностью не поглотятся.
Моделирование показало, что можно увеличить общую эффективность элементов более чем на 2% с помощью таких поверхностных структур.
Может показаться, что 2% – очень небольшая велечина. Но примерно 10% света, попадающего на фотоэлемент, рассеивается или поглощается пылью и грязью на его поверхности. Сохраняя поверхность фотоэлемента чистой, в принципе, можно существенно увеличить эффективность. Уменьшение помех от пыли даже на несколько процентов приводит к существенному результату.
Разработчики считают, что даже в пустынных регионах, где постоянный яркий солнечный свет создает идеальные условия для солнечных батарей, ночная роса дает достаточно влаги для очистки поверхности. Полезность такой технологии для солнечных панелей, предназначенных для использования в умеренной полосе и, особенно, в пыльных городах, совершенно очевидна.
Рис. 15. Кремниевые пирамидальные структуры
Рис. 15 показывает кремниевые пирамидальные структуры полученные травлением в течение одной минуты водным раствором фторводорода и пероксида водорода.
Для получения текстурированной поверхности команда Вонга подвергала поверхность травлению гидроксидом калия, снимающим тонкий слой кремния и образующего пирамидальные структуры. Далее на поверхность наносятся микроскопические частицы золота, играющие роль катализатора во время второй части процесса – обработки поверхности водным раствором фторводорода и пероксида водорода для формирования требуемых гидрофобных характеристик.
Однако, перспективы промышленного применения технологии теперь целиком зависят от цены и стойкости покрытия. Дело в том, что структуры эти очень малы и поэтому – очень хрупки. Небольшое трение на поверхности уничтожает гидрофобные свойства. Так что сосредоточились на создании гидрофобных поверхностей большой площади, так как малые повреждения не будут влиять на общую эффективность.
Стоимость масштабного производства пока неизвестна, но уже можно сказать, что дополнительное травление и вакуумное напыление не сильно усложнят и без того сложный процесс производства фотоэлементов. Кроме производства фотоэлементов, такая обработка поверхности может быть применена для создания антибактериального покрытия медицинского оборудования и деталей микроскопических механических устройств, которые не должны прилипать друг к другу.
9. Перспективы развития солнечной энергетики
Развитие рынка альтернативной, в том числе и солнечной, энергетики в Европе и Северной Америке связано во многом с поддержкой этого сектора государством. Например, жители стран Европейского союза, использующие альтернативную энергетику, получают энергию по более низким тарифам. Кроме того, если европейцы решат инвестировать в эту сферу, то страны ЕС частично освобождают их от налога на прибыль и экологических налогов. Например, в Германии был принят закон, устанавливающий независимую от госбюджета систему закупочных тарифов для производителей солнечной электроэнергии. А в Великобритании, Австрии, Бельгии и Ирландии действует система выделения квот на финансовую поддержку для поставщиков «зеленой» энергии.
Как отмечается в исследовании компании РосБизнесКонсалтинг «Рынок фотовольтаики: солнечные батареи», при оптимистическом сценарии развития мирового рынка фотоэлектричества, к 2013 г. мощность ежегодно устанавливаемых фотоэлектрических систем превысит 17 ГВт!
Как показывает начало 2010 г., мировой рынок фотовольтаики развивается именно по оптимистическому сценарию. Так, в США началось финансирование проекта Ivanpah. Компания BrightSource Energy сообщила о предоставлении ей Министерством энергетики США займа в размере 1,37 млрд долл. для поддержки проекта. Предполагается, что проект будет совмещать технологии солнечных фотоэлектрических и тепловых электростанций. Общая мощность проекта составляет порядка 400 МВт.
Помимо этого, в Калифорнии продолжается строительство 2-х крупнейших в мире солнечных электростанций. В сумме два объекта занимают площадь 32,37 кв. км и имеют производственную мощность 800 МВт. Это эквивалентно энергии, вырабатываемой крупной электростанцией на угле или небольшой АЭС.
Большую часть энергии, 550 МВт, будет вырабатывать станция, строящаяся компанией Optisolar. Станция, строящаяся компанией SunPower, будет производить 250 МВт энергии, при этом ее эффективность будет увеличена на 30% благодаря возможности солнечных панелей поворачиваться вслед за солнцем. Строительство гигантских солнечных электростанций должно завершиться в 2013 г.
В России также может появиться крупный потребитель солнечного фотоэлектричества. Государственная корпорация "Олимпстрой" принимает предложения и анализирует опыт по использованию передовых технологий в области альтернативных источников энергии. Альтернативные источники энергии предполагается использовать в качестве резервных источников энергии и теплоснабжения олимпийских объектов. Госкорпорацию "Олимпстрой", в первую очередь, интересуют фотоэлектрические системы и тепловые насосы.
Французский энергетический гигант EDF ведет строительство крупнейшей в мире фотогальванической солнечной электростанции на бывшей базе ВВС НАТО. Предприятие начнет работу в 2012 году.
Электростанция занимает 415 га в окрестностях города Мец на востоке страны. Проектная мощность объекта составляет 143 мВт. Этого достаточно для обеспечения электроэнергией города с 62 тыс. жителей.
Электростанция в Туль-Росьере увеличит объем французской солнечной энергетики в четыре раза. Несмотря на это, Франция все равно лишь дышит в затылок Испании и Германии, которые производят 1 671 мВт и 1 505 мВт соответственно. EDF отмечает, что рада бы построить и более мощную станцию, но во Франции трудно найти для нее место. На вопрос, почему для нового проекта была выбрана пасмурная Лотарингия вместо безоблачного юга, компания отвечает так: потому что правительство повысило тарифы на электроэнергию для населения в северных регионах, дабы привлечь инвестиции в энергетику. На электростанции будет занято всего 15 человек.
Компания Abegona Solar, Испания, сообщила об успешном запуске своей второй солнечной электростанции башенного типа, преобразующей солнечное тепло в энергию.
