Где тонко, там и пленка

Во время нашей беседы профессор Международного университета природы, общества и человека "Дубна", сотрудник Центра высоких технологий ФГУП «НИИ прикладной акустики» Павел Гладышев взамен повсеместно используемого словосочетания «солнечная батарея» намеренно употребляет понятие «фотоэлектрический преобразователь». То и дело сыплет неизвестными обывателю и потому наводящими ужас научными терминами: «лазерное скрайбирование», «селенизация», «высокоомные слои»…

Услышав словосочетание «тонкопленочная фотовольтаика», цепляюсь, как утопающий за соломинку, за вполне понятную первую его часть – и прошу разъяснить, что это означает все вместе.

«Основа фотоэлектрического преобразования – это наличие полупроводникового перехода. Есть полупроводники n- и p-типа – электрон-проводящие и дырочно-проводящие. На границе раздела этих материалов при их освещении происходит разделение электрон-дырочных пар – и в системе возникает электрический потенциал. Это очень упрощенное представление о фотопреобразователях, – заключает Гладышев. – Чтобы достичь эффективности, требуется десяток дополнительных тонких слоев – толщиной порядка микронов и нанометров».

Солнечная энергетика движется в сторону тонкопленочных систем. В отличие от традиционных, кристаллических, они более экономически эффективны.

Краеугольный элемент

«Все можно объяснить очень просто, – заверяет Павел Павлович. – Классические кристаллические солнечные преобразователи нуждаются в дорогом полупроводнике – кристаллическом кремнии, причем для максимального поглощения солнечного света и, соответственно, эффективного преобразования солнечной энергии требуется достаточно толстый слой (большое количество) полупроводника. Сегодня от кристаллического кремния производители переходят к тонкопленочным элементам на основе аморфного кремния, теллурида кадмия и медь-индий-галлий-диселенида».

Электроэнергия, которая получается благодаря тонким пленкам, в 3 раза дешевле той, что дают кристаллические кремниевые батареи. Стоимость солнечных батарей и производимой ими электроэнергии постепенно снижается, а новые солнечные элементы постоянно отвоевывают растущий рынок сбыта – прежде всего, в Европе, США, Японии. Инвесторы идут на краткосрочные вложения в кремний и долгосрочные – в тонкие пленки.

Научно-исследовательская группа Павла Гладышева, создавая тонкопленочные системы, использует халькогенидные материалы (содержащие серу, селен, теллур).

«Они обладают очень высокой поглощающей способностью. Поэтому для поглощения солнечной энергии требуется весьма тонкий слой. Соответственно, падает расход дорогих полупроводников. Тонкопленочные халькогенидные солнечные элементы представляют самое экономически выгодное направление фотоэлектрического преобразования солнечной энергии и постепенно завоевывают мировой рынок, – утверждает Гладышев.

«Ради справедливости следует отметить, что экономический кризис и демпинг китайских производителей могут обрушить рынок. В этих условиях очень трудно говорить о преимуществах тех или иных типов солнечных батарей. Но кризис не вечен, объективная экономика возобладает, и тонкопленочные халькогенидные солнечные батареи займут свою нишу», – добавляет он.

Команда ученых из Дубны, работающая в НИИ прикладной акустики, едва ли не единственная в России сосредоточилась на развитии халькогенидных солнечных элементов. Среди зарубежных партнеров – Белоруссия (белорусская компания ИЗОВАК, один из наиболее успешных в СНГ разработчиков гибких CIGS (медь-индий-галлий-диселенид) солнечных батарей. – Ред.), Казахстан, Украина.

«Во времена СССР наша страна была одним из лидеров в области фотоэлектрического преобразования – как в теории, так и в практике. Сейчас мы сильно отстаем, – сетует Гладышев. – Такое направление можно поднять только в рамках единой научно-технической программы, а она на сегодняшний день отсутствует. Силы разбросаны, как горох по полю: нет координирующего центра, нет устойчивого финансирования. Основная болезнь России – мы все ждем, что рынок все решит, в то время как создание рынка высоких технологий – прежде всего задача государства и общества, и это доказывает мировая практика».

Взять под защиту

«Гибкие тонкопленочные системы могут выполняться как на полимерных материалах, так и на металлической фольге. Любую конструкцию можно обтянуть пленкой-фотопреобразователем – и получать энергию. Тонкая, эластичная пленка может облицовывать любые поверхности. Это один из трендов солнечной энергетики», – обрисовывает перспективы Павел Гладышев.

Чтобы повсеместное использование таких пленок было эффективным, ученые работают над тем, как защитить фотопреобразующие системы от воздействия окружающей среды и загрязнений. Для этих целей сотрудники НИИ прикладной акустики создают супергидрофобные (то есть крайне плохо смачивающиеся водой) поверхности.

Солнечные батареи, функционирующие в реальных условиях, часто загрязняются, затемняются от солнечного света – и эффективность фотопреобразований снижается. Ученые из Дубны трудятся над созданием таких поверхностей солнечных батарей, которые отталкивали бы воду и различные загрязняющие частицы: тогда не будет необходимости часто очищать солнечные батареи, они эффективно проработают долгое время.

«Многие солнечные батареи защищаются сверху слоем стекла, – комментирует Гладышев. – Придание поверхности антизагрязняющих качеств обеспечивается путем “прививки”, или, как говорят, химической “пришивки” к поверхности стекла определенных структур. Это направление у нас успешно развивает группа кандидата химических наук Романа Новичкова».

Справка:
Еще одно многообещающие направление повышения эффективности солнечных батарей – введение в них слоя с наночастицами металлов или полупроводниковыми квантовыми точками. Этот слой обеспечивает плазмонный эффект – возбуждение электронного газа под действием света. Сейчас данное направление прорабатывается в НИИ прикладной акустики теоретически – под руководством профессора Рашида Назмитдинова и кандидата физико-математических наук Ивана Таначева

Особенно актуальна такая защита для солнечных батарей, которые размещаются на стенах и крышах зданий. Повсеместно такое оборудование еще не используется, однако набирает все большую популярность в странах Европы и Австралии.

Как отмечает Павел Гладышев, в каждом государстве своя среда для развития солнечной энергетики. Так, Испания не производит солнечные элементы, но по объему их потребления на душу населения лидирует в мире. В стране проводилась стимулирующая политика, заключающаяся в дотациях и льготах домохозяйствам и предприятиям, которые используют солнечные фотопреобразователи. Подобные государственные преференции учреждены и в Германии (в последние годы подобные преференции как в Испании, так и в Германии резко сокращены в связи с экономическим кризисом. – Ред.).

«Влияют также географические условия: например, в южных странах солнечное излучение более мощное, нежели в северных. В России значителен потенциал солнечной энергетики на юго-западе страны – на Северном Кавказе, в районах Черного и Каспийского морей, а также в Южной Сибири и на Дальнем Востоке, – говорит Гладышев. – Однако германский опыт показал, что в умеренном климате солнечная энергетика тоже может успешно развиваться».

Что интересно, география потребления солнечной энергии не соответствует географии производства солнечных элементов и модулей. Если в использовании солнечных батарей первенствуют Испания и Германия, то лидерство в их производстве смещается в сторону Азии – здесь тон задают Китай, Корея, Япония. Встанет ли рядом с ними Россия и займет ли она достойное место в мирной технологической гонке за чистую энергию? Пока оптимизма здесь не так много. Приведем лишь один пример. Как известно, в портфеле ОАО «РОСНАНО» есть несколько проектов по солнечной энергетике: тонкопленочные солнечные элементы (на основе технологий компании Oerlikon, Швейцария), поликристаллический кремний для классических солнечных батарей, а также наногетероструктурные фотопреобразователи (на основе технологий ФТИ им. А.Ф. Иоффе). Если о последнем проекте судить рано, он начался полгода назад, а производство обещают запустить еще через полгода, то второй проект из вышеперечисленных сильно отстает по графику (на сайте РОСНАНО сообщается, что пуск должен был состояться еще в 2010 году, но этого так до сих пор и не случилось). С проектом по тонкопленочным солнечным элементам ясности тоже нет: запуск производства перенесен со II квартала 2012 года на IV квартал. Кроме всего прочего, еще два «солнечных» проекта РОСНАНО были свернуты, еще и не успев начаться. Производство солнечных элементов для космических аппаратов совместно с НПП «Квант» отказался поддерживать новый собственник «Кванта», а проект по производству солнечных модулей «на основе монокремния с двусторонней чувствительностью» остановился из-за конфликта между его участниками. А в конце 2011 года компания «Солнечный ветер», технологии которой были положены в основу проекта, решением Арбитражного суда Краснодарского края признана банкротом.

Галина КАЗАРИНА

"Наука и технологии РФ"