Поглядеть первую часть

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

СЭ на А3В5/Ge с концентраторами
Современный СЭ на базе А3В5 представляет собой несколько эпитаксиальных слоев GaInP, GaInAs либо AlGaInP на подложке из Ge. Толщина фотоактивной области гетероструктуры составляет около 1 мкм. (Рис.3)

Рис.3 Многокаскадный СЭ на А3В5 на Ge подложке, структура и внешний облик

Внедрение многокаскадных СЭ на базе GaAs/Ge отдало приметное повышение КПД (42.3% в 2009 г.). В особенности перспективно внедрение таких СЭ в сочетание с оптическим концентратором солнечного излучения с кратностью до 1000. Подобные солнечные электростанции при оптической концентрации 500, занимая 5% площадей таких штатов как Невада, Аризона, Нью-Мексика, могли бы генерировать мощность 1300 ГВт либо 42% всего внутреннего употребления США.

Для наземных СЭ на А3В5/Ge исследовательская компания Strategy Analytics подразумевает рост 133%/год до 2012 г. и занятие 10% общего PV-рынка с объемом 20.2 миллиардов долл. Разглядим главные применяемые материалы.

Мышьяк:
Получение мышьяка смотрится еще наименьшей неувязкой. Получение мышьяка может быть из целого ряда источников. К их числу относятся пыль, образующаяся при выплавке меди, золота и свинца; обожженный арсенопирит (более всераспространенный рудный минерал свинца). Его получают как попутный продукт при переработке концентратов меди, свинца, кобальта, также при получении фосфатов. В КНР, на севере Перу и Филиппинах ресурсы этого металла заключены в реальгаре и аури-пигменте, в Чили – в медно-золотых рудах, Канаде – на месторождениях золота. Мировые ресурсы мышьяка, находящиеся в медном и свинцовом природном сырье, оцениваются приблизительно в 11 млн т.Общее создание в 2009 г. составило 53 500 т (в пересчете на трехокись мышьяка).

Галлий:
Имеющегося в бокситах галлия, как отмечалось, хватит на неограниченное количество СЭ. При расходе галлия 1 гр. Ga на КВт только 2% нынешнего годичного производства галлия хватит для производства генерирующих мощностей на 30 ГВт. Т.о. ни галлий, ни мышьяк не будут лимитирующим фактором для развития СЭ на А3В5/Ge.

Германий:
Труднее оценить ситуацию с подложечным материалом – германием. В земной коре германия не сильно мало – 7.10-4% ее массы, больше чем свинца, серебра, вольфрама, но он очень рассеян. Германий находится в горных породах, рудах разных типов, каменных углях в виде изоморфной примеси либо прорастаний Ge-минералов в минералах-концентраторах. При производстве цинка, германий остается в отвальных кеках выщелачивания цинковых огарков. При производстве свинца, германий извлекают попутно из возгонов при фьюминговании шлаков. При производстве меди германий извлекается из пылей шахтной и отражательной плавок, пыли конверторов и возгонов при фьюминговании шлаков. При промышленном сжигании углей, минеральная часть углей распределяется меж шлаком, остающимся в топочном пространстве, и летучей золой, уносимой совместно с газообразными продуктами горения. Общие ресурсы германия, исходя из ресурсов цинка, оцениваются в 120 тыс. т, а в каменных углях – в 4-5 тыс. т. Последние 15 лет в мире выполнялось 50-100 т германия в год, плюс 30-50 тонн/год извлечено повторной переработкой. К 2012 г., как ожидается, рынок Ge составит 118 т.

Выводы и оценки
Если принять расход 15 г германия на 1 КВт, то, к примеру, количество 100 т Ge для солнечной энергетики, позволяет сделать 6.7 ГВт генерирующих мощностей. Разглядим способности существенного роста выпуска Ge. До определенных пределов такая задачка разрешима. В 90-х гг. ХХ века и галлий, и германий переживали периоды бума, которые окончились резким спадом производства. Скопленные производственные мощности превосходят нынешние потребности, а в случае необходимости могут быть увеличены.

В мире каждогоднее количество германия, находящееся в добываемых цинковых рудах, составляет ~ 300 т, из которых извлекается 90-100 т.

Итак, германий все-же остается лимитирующим фактором для данной технологии. Оптимистичная, но очень возможная цифра 500 т германия к 2025 г. может обеспечить выпуск 33 ГВт СЭ на А3В5 (либо 15-20% всех новых солнечных генерирующих мощностей).

Оценка вероятных объемов выпуска СЭ на рассмотренных элементах
Самые жизнеутверждающие оценки привели к цифрам 85 ГВт/год для тонкопленечных не-Si технологий. Напомним, что по оценкам, в 2025 г. должны ввестись в строй мощности около 160 ГВт. Может ли обычная разработка получения кремния через трихлорсилан (Сименс-метод) дополнить мощности производства СЭ до этой величины? С высочайшей степенью убежденности можно утверждать, что нет.

Сейчас, как отмечалось, на классическом Si делается СЭ мощностью около 7 ГВт. Но, экологическая опасность и накладность обычных технологий получения кремния принуждает усомниться, что развитие солнечной энергетики пойдет только по пути тиражирования имеющегося основного метода производства Si-СЭ Сименс-методом из трихлорсилана.

Трудности уже начались. Сначала 2008 г., в городке Gaolong, Китай, местное население испытало последствия аварийного разлива четыреххлористого кремния (попутного продукта в Сименс-процессе) на с/х поля и поблизости школ. Реакцией на это были крупномасштабные волнения. В 2009 г. в ответ на неверное воззвание с отходами, специально сделанная регулирующая правительственная группа Китая постановила, что никакие новые поли-кремниевые проекты с внедрением обычных процессов не будут одобряться. Даже если представить, что к 2025 г. мощности обычного Сименс способа получится прирастить в 3-4 раза (что представляется очень оптимистичной оценкой), то выпуск составит около 30 ГВт. А означает, суммарные мощности достигнут максимум 120 ГВт, но никак не 160 ГВт.

Оставшаяся «лакуна» должна быть заполнена какими-либо другими, не рассмотренными в данной работе технологиями. Разглядим кремниевые бесформенные тонкопленочные элементы. (Рис.4). На 1-ый взор тонкопленочные бесформенные Si-СЭ, в силу собственной низкой цены, имеют бесспорные достоинства:
— малый расход материалов – толщина кристаллического кремния около 200 мкм, а у тонкопленочных до 10-20 мкм,
— эффективность (к.п.д) при рассеянной солнечной радиации больше, чем у обычных;

Но, бесформенные СЭ владеют суровыми недочетами:
— значимая деградация к.п.д. – при длительном воздействии солнечной радиации в течение нескольких месяцев эффективность падает на 30-40% от начального уровня (эффект Стаблера-Вронского);
— эффективность, фактически вдвое меньше и соответственно для выработки такого же количества энергии (при схожих критериях) требуется вдвое большая площадь для их размещения;
— сложное и дорогостоящее оборудование для их массового производства;
— высокочистые, дорогостоящие газы (при увеличении объемов производства тонкопленочных частей ожидается недостаток газов, сначала моносилана).

Рис.4 Структура и внешний облик бесформенных Si СЭ.

Есть тонкопленочные СЭ второго поколения, к примеру на базе микроморфно-аморфного кремния по технологии Oerlikon&Hevel Solar. (Рис.5). Такие СЭ, по утверждениям разработчиков, демонстрируют деградацию менее 10% за 10 лет и могут стать одним из многообещающих направлений развития СЭ. Но, неувязка получения дешевенького моносилана в огромных количествах остается животрепещущей.

Рис.5 Структура и внешний облик аморфно-микроморфных СЭ

С этой точки зрения довольно перспективно смотрится разработка синтеза силицида магния, кислотное гидрирование, получение и чистка SiH4 разработанная в НПО «КВАНТ». Магнийтермический способ основан на получении высокочистого моносилана (SiH4), синтезированного при кислотном гидролизе силицида магния:
Mg2Si + 2HCl = MgCl2 + SiH4

Приобретенный таким макаром дешевенький моносилан можно использовать для производства тонкопленочных СЭ второго поколения.

Заключение
Данный расчет, естественно, не может претендовать на высшую точность и является, быстрее, высококачественной оценкой, «методом наибольших оценок». Но итог значит, что:
— во-1-х, рассматриваемые технологии, включая классические, не буду теснить друг дружку, потому что их совокупных усилий не хватит для обеспечения нужных темпов роста, они будут развиваться параллельно;
— во-2-х, это значит, что инвесторы не могут позволить для себя вкладывать все средства на развитие исключительно в рассмотренные и обычные технологии. Финансирование новых других технологий должно быть продолжено.