Плеханов С.И., Наумов А.В.
ОАО НПП «КВАНТ» 2010

Введение – постановка задачки.
Сфера использования наземных солнечных частей (СЭ) расширяется и промышленно продвинутые страны строят масштабные планы роста солнечной энергетики. Если сейчас солнечная энергетика занимает наименее 1% в общемировом балансе произведенной электроэнергии, то к 2025 г. эта толика должна возрасти до 20-25%.

В текущее время солнечная энергетика базируется на СЭ, которые можно поделить на:
— кремниевые СЭ (моно-кристаллы Si, мульти-кристаллы Si, ленты Si, пленки бесформенного ?- Si) – боле 90% всех СЭ,
— не-кремниевые тонкопленочные СЭ (CdTe, CuInSe2 либо CIS, GaAs/Ge) ~7-8% всех СЭ.

Последние годы многие участники рынка обратились к развитию не-кремниевых СЭ. Так, к примеру, в 2010 г. компания First Solar (США) объявила о окончании строительства ряда заводов по выпуску СЭ в год общей мощностью 1 ГВт на базе CdTе. ООО «Солнечный поток» (Наша родина) реализует создание СЭ на базе GaAs/Ge в Ставропольском крае вместе с Роснано и ФТИ им. А.Ф.Иоффе. Подразумевается, что к 2015 г. объем выпуска установок составит около 85 МВт/г.

Ряд исследователей считают, что развитие солнечной энергетики в целом должно идти по пути использования тонкопленочных СЭ, так как некие СЭ уже в текущее время показывают довольно высочайший к.п.д., а низкие удельные расходы материалов подразумевают вероятную дешевизну СЭ. В связи с этим появляется вопрос – могут ли не- Si тонкопленочные СЭ (из числа тех, которые в текущее время промышленно выпускаются), составить реальную кандидатуру Si-СЭ в период до 2025 г., как надежна их сырьевая база для решения намеченных целей роста и не столкнутся ли они, в какой-то момент, с сырьевыми ограничениями.

По оценкам к 2025 г. раз в год должны вводиться в действие солнечные станции мощностью 160-170 ГВт. Огромность этой величины нередко недооценивается при попытках составления современных прогнозов. Для сопоставления – в 2009 г. выпущено СЭ суммарной мощностью немногим более 7,4 ГВт.

Цель данной работы – исследование способностей роста объемов производства не-кремниевых тонкопленочных СЭ на базе CdTe, CIS и GaAs/Ge в период 2010-2025 г.г., исходя из:
• распространенности частей в земной коре
• способностей добывающих и потребляющих отраслей
• общих тенденций развития отрасли.

Теллурид кадмия – CdTe

Промышленные СЭ на базе тонких пленок CdTe, со структурой, изображённой на рис.1, в текущее время владеют КПД до 10 %, а в наиблежайшие годы ожидается повышение до 15%. 
Рис.1 Структура и внешний облик СЭ на CdTe

На изготовка СЭ площадью 1 м2 сейчас требуется около 10г теллура и 9г кадмия. Сейчас при к.п.д. около 10% для генерации 1 ГВт требуется 100 т Те. Разглядим главные применяемые материалы:

Кадмий:
В земной коре кадмия содержится около 1.4 10-5% по массе, он относится к рассеянным элементам и добывается попутно в производстве цинка. Общие мировые припасы кадмия, определенные по всем известным цинковым ресурсам, превосходят 6 млн т. Объемы мирового производства кадмия (по данным US Geological Survey) в 2009–2010 гг. составили 17000-20000 тонн/год. Просто показать, что кадмий не будет являться лимитирующим материалом

Теллур:
В земной коре теллура содержится 1 10-6% по массе, он относится к рассеянным элементам. Теллур халькофилен и обычно встречается в сульфидных месторождениях меди, также в полиметаллических рудах. Мировые припасы теллура оцениваются в 40-50 тыс т. Главными источниками теллура служат шламы, образующиеся при электролитической чистке анодов меди. Данные по общему объему производимого в мире теллура неполны — приближенно создание можно оценить в 360-400 тонн/год.

Выводы и оценки
Из изложенного следует, что лимитирующим сырьевым фактором для производства CdTe является создание Те. Если оптимистично представить, что создание теллура к 2025 году сумеет вырасти так, что для электрических целей будет может быть получить 400-500 т (т.е. сколько сейчас употребляется теллура во всех отраслях, правда, возможность этого представляется очень низкой), то вклад CdTe в солнечную энергетику достигнет 4-5 ГВт либо ~2-3%. Это больше, чем сейчас (~1.6%), но очевидно недостаточно, чтоб стать суровой кандидатурой.

Да и эта цифра маловероятна — возможность резкого роста производства Те невелика. Новенькая разработка выщелачивания меди, разработанная сначала 90-х гг. в первый раз Phelps Dodge и Placer Dome (т.н. SW-EW разработка либо «обжиг»-«выщелачивание»-«электроэкстракция»), является кандидатурой классической технологии выплавки и получению меди из медных катодов и получает все более обширное распространение. Эта разработка обладает рядом экономических преимуществ для медной индустрии, но при всем этом не происходит образования электролитных шламов, содержащих Те. Потому создание меди в мире вырастает, а создание Те, если и вырастает, то еще наименьшими темпами.

Потому, более возможной представляется величина вероятного вербования теллура в солнечную энергетику около 400-500 тонн (против нынешних ~ 45 тонн для всей электроники), что значит возможность произвести 4-5 ГВт установленных мощностей.

CIGS (CuInGaSe2)
Высочайшая способность к поглощению солнечного излучения у плёнок CuInGaSe2 (CIGS) позволяет создавать тонкопленочные СЭ с КПД до 14.5%. Структура такового СЭ представлена на рис.2. На получение 1ГВт расходуется 15 тн Cu, 20 тн индия, 4 тн Ga и 55 тн селена. 
Рис. 2 Структура и внешний облик солнечного элемента на базе SIGS.

Удельный вес этой технологии пока невелик. Но аналитики GreenTechМedia подразумевают, что к 2012 г. СЭ на CIGS займут 12% рынка, что составит 3 ГВт, и будут расти далее. Разглядим главные применяемые материалы.

Селен:
В земной коре селена содержится 6 10-5% по массе, он относится к рассеянным элементам. Селен халькофилен и обычно встречается в сульфидах (пирите, халькопирите и т.п.) в концентрациях порядка сотых толикой процента. Мировые припасы селена оцениваются в 80-90 тыс. тонн только по медным месторождениям. Главными промышленными источниками селена служат шламы, образующиеся при электролитической чистке анодов меди. Объемы мирового производства селена за 2008-2010 гг. составляют около 2600- 2700 тонн/год.

Индий:
В земной коре индия очень не достаточно – 10-5% ее массы, и он очень рассеян. Мировые припасы индия оцениваются в 25 тыс т, разведанные – в 5-6 тыс т. Источниками индия служат промежные продукты цинкового и свинцового производства. В производстве цинка источником индия служит свинец, получаемый при ректификационной чистке предварительного цинка, возгоны вельц- либо фьюминг процессов либо медно-кадмиевые кеки. В производстве свинца источником индия служат пыли восстановительной плавки, вельц-окислы и продукты рафинирования свинца. Мировое создание индия за последние годы составило около 1100 тонн/год.

Галлий:
Посреди редчайших частей галлий является одним из более всераспространенных. Содержание галлия 15 ррm от всей массы земной коры, что практически равно содержанию свинца и существенно превосходит содержание молибдена, вольфрама, сурьмы, ртути, мышьяка, висмута.
Галлий – обычный представитель широкого рассеяния – приурочен к образованиям, содержащим окиси алюминия, кремния, сульфиды цинка и мышьяка, германия и меди, где содержится в концентрациях несколько 10-ов ррm. Мировые ресурсы галлия исключительно в бокситах (природная смесь аква окислов алюминия с глиной и окислами железа) превосходят 1 млн т. Раз в год из земных недр извлекаются и перерабатываются бокситы, на теоретическом уровне содержащие выше 3 тыс т галлия (если принять среднее содержание галлия ~50 г/тонну). Потому галлий не будет являться лимитирующим элементом.

Выводы и оценки
Из изложенного следует, что лимитирующим сырьевым фактором для CIGS-технологии станет индий. Расход индия на получение 1ГВт составляет 20 тн. Т.о., если представить, что к 2025 г. солнечная энергетика сумеет получить 150-300 т индия (сейчас вся электроника потребляет около 110 тонн/год), то это позволит произвести модулей мощностью 15 ГВт. Это составит 9-10% общего выпуска в 2025 г.

Может быть ли повышение производства индия сверх этого уровня? В этом случае возможность получать огромные количества лимитирующего сырья более реальна. Создание цинка в мире вырастает, как следует, возможная сырьевая база для индия также вырастает. Потому принципных ограничений роста добычи индия не существует. Так, только один из огромнейших цинковых рудников Kidd Creek Mine в Онтарио, владея припасами 3 400 т индия, потенциально является наикрупнейшим производителем индия. Русский индий извлекается из медноколчеданных месторождений Урала (75% объема всех русских цинковых концентратов, среднее содержание индия 3.2 г/т). Индий содержится также в полиметаллических месторождениях Южной Сибири и Приморья (среднее содержание индия 14.7 г/т). Всего же припасы русского индия учтены в рудах 61 месторождения.

Можно представить, что наибольший вклад CIGS-СЭ может составить до 35-40 ГВт/год к 2030 г. (либо 15-20%), т.е. данная разработка еще более перспективна исходя из убеждений сырьевой базы, чем CdTe. Это востребует вербования довольно близкой к реальности числа 750-800 т In в создание CIGS-СЭ к 2025 г.

Таким макаром, оценочно, тонкопленочные технологии CdTe+CIGS сумеют внести, как максимум ~45 ГВт/год новых генерирующих мощностей к 2025 г.