Оценка возможностей роста производства солнечных элементов

Сфера использования наземных солнечных элементов (СЭ) расширяется и промышленно развитые страны строят масштабные планы роста солнечной энергетики. Если сегодня солнечная энергетика занимает менее 1% в общемировом балансе произведенной электроэнергии, то к 2025 г. эта доля должна возрасти до 20-25%.
В настоящее время солнечная энергетика базируется на СЭ, которые можно разделить на:
- кремниевые СЭ (моно-кристаллы Si, мульти-кристаллы Si, ленты Si, пленки аморфного α- Si) – боле 90% всех СЭ,
- не-кремниевые тонкопленочные СЭ (CdTe, CuInSe2 или CIS, GaAs/Ge) ~7-8% всех СЭ.

Последние годы многие участники рынка обратились к развитию не-кремниевых СЭ. Так, например, в 2010 г. компания First Solar (США) объявила о завершении строительства ряда заводов по выпуску СЭ в год общей мощностью 1 ГВт на основе CdTе. ООО «Солнечный поток» (Россия) реализует производство СЭ на основе GaAs/Ge в Ставропольском крае совместно с Роснано и ФТИ им. А.Ф.Иоффе. Предполагается, 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, поскольку некоторые СЭ уже в настоящее время демонстрируют достаточно высокий к.п.д., а низкие удельные расходы материалов предполагают возможную дешевизну СЭ. В связи с этим возникает вопрос – могут ли не- Si тонкопленочные СЭ (из тех, которые в настоящее время промышленно выпускаются), составить реальную альтернативу Si-СЭ в период до 2025 г., насколько надежна их сырьевая база для решения поставленных задач роста и не столкнутся ли они, рано или поздно, с сырьевыми ограничениями.

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

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

Теллурид кадмия – CdTe

Промышленные СЭ на основе тонких пленок CdTe, со структурой, изображённой на рис.1, в настоящее время обладают КПД до 10 %, а в ближайшие годы ожидается увеличение до 15%.

На изготовление СЭ площадью 1 м2 сегодня требуется около 10г теллура и 9г кадмия. Сегодня при к.п.д. около 10% для генерации 1 ГВт требуется 100 т Те. Рассмотрим основные используемые 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 запасы кадмия, определенные по всем известным цинковым ресурсам, превышают 6 млн т. Объемы мирового производства кадмия (по данным US Geological Survey) в 2009–2010 гг. составили 17000-20000 тонн/год. Легко 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, а также в полиметаллических рудах. Мировые запасы теллура оцениваются в 40-50 тыс т. Главными источниками теллура служат шламы, образующиеся при электролитической очистке анодов меди. Данные по общему объему производимого в мире теллура неполны - приближенно производство можно оценить в 360-400 тонн/год.

Выводы и оценки:
Из изложенного следует, что лимитирующим сырьевым фактором для производства CdTe является производство Те. Если оптимистично предположить, что производство теллура к 2025 году сможет вырасти так, что для электронных целей будет возможно получить 400-500 т (т.е. сколько сегодня используется теллура во всех отраслях, правда, вероятность этого представляется весьма низкой), то вклад CdTe в солнечную энергетику достигнет 4-5 ГВт или ~2-3%. Это больше, чем сегодня (~1.6%), но явно недостаточно, чтобы стать серьезной альтернативой.

Но и эта цифра маловероятна - возможность резкого увеличения производства Те невелика. Новая технология выщелачивания меди, разработанная в начале 90-х гг. впервые Phelps Dodge и Placer Dome (т.н. SW-EW технология или «обжиг»-«выщелачивание»-«электроэкстракция»), является альтернативой традиционной технологии выплавки и получению меди из медных катодов и получает все более широкое распространение. Эта технология обладает рядом экономических преимуществ для медной промышленности, но при этом не происходит образования электролитных шламов, содержащих Те. Поэтому производство меди в мире растет, а производство Те, если и растет, то гораздо меньшими темпами.

Поэтому, наиболее вероятной представляется величина возможного привлечения теллура в солнечную энергетику около 400-500 тонн (против сегодняшних ~ 45 тонн для всей электроники), что означает возможность произвести 4-5 ГВт установленных мощностей.

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

Удельный вес этой технологии пока невелик. Однако аналитики GreenTechМedia предполагают, что к 2012 г. СЭ на CIGS займут 12% рынка, что составит 3 ГВт, и будут расти дальше. Рассмотрим основные используемые 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 долей процента. Мировые запасы селена оцениваются в 80-90 тыс. тонн только по медным месторождениям. Главными промышленными источниками селена служат шламы, образующиеся при электролитической очистке анодов меди. Объемы мирового производства селена за 2008-2010 гг. составляют около 2600- 2700 тонн/год.

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

Галлий:
Среди редких элементов галлий является одним из наиболее распространенных. Содержание галлия 15 ррm от всей массы земной коры, что почти равно содержанию свинца и значительно превышает содержание молибдена, вольфрама, сурьмы, ртути, мышьяка, висмута.
Галлий – типичный представитель широкого рассеяния – приурочен к образованиям, содержащим окиси алюминия, кремния, сульфиды цинка и мышьяка, германия и меди, где содержится в концентрациях несколько десятков ррm. Мировые ресурсы галлия только в бокситах (природная смесь водных окислов алюминия с глиной и окислами железа) превышают 1 млн т. Ежегодно из недр земли извлекаются и перерабатываются бокситы, теоретически содержащие свыше 3 тыс т галлия (если принять среднее содержание галлия ~50 г/тонну). Поэтому 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 предположить, что к 2025 г. солнечная энергетика сможет получить 150-300 т индия (сегодня вся электроника потребляет около 110 тонн/год), то это позволит произвести модулей мощностью 15 ГВт. Это составит 9-10% общего выпуска в 2025 г.

Возможно ли увеличение производства индия сверх этого уровня? В данном случае возможность получать большие количества лимитирующего сырья более реальна. Производство цинка в мире растет, следовательно, потенциальная сырьевая база для индия также растет. Поэтому принципиальных ограничений роста добычи индия не существует. Так, только один из крупнейших цинковых рудников Kidd Creek Mine в Онтарио, обладая запасами 3 400 т индия, потенциально является крупнейшим производителем индия. Российский индий извлекается из медноколчеданных месторождений Урала (75% объема всех российских 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 запасы российского индия учтены в рудах 61 месторождения.

Можно предположить, что максимальный вклад CIGS-СЭ может составить до 35-40 ГВт/год к 2030 г. (или 15-20%), т.е. данная технология гораздо более перспективна с точки зрения сырьевой базы, чем CdTe. Это потребует привлечения достаточно реалистичной цифры 750-800 т In в производство CIGS-СЭ к 2025 г.

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