Оценка возможностей роста производства солнечных элементов на основе CdTe, CIGS и GaAs/Ge в период 2010-2025 г.г. (Часть 2)

СЭ на А3В5/Ge с концентраторами

Современный СЭ на основе А3В5 представляет собой несколько эпитаксиальных слоев GaInP, GaInAs или AlGaInP на подложке из Ge. Толщина фотоактивной области гетероструктуры составляет около 1 мкм.

Использование многокаскадных СЭ на основе GaAs/Ge дало заметное увеличение КПД (42.3% в 2009 г.). Особенно перспективно использование 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 или 42% всего внутреннего потребления США.

Для наземных СЭ на А3В5/Ge исследовательская компания Strategy Analytics предполагает рост 133%/год до 2012 г. и занятие 10% общего PV-рынка с объемом 20.2 млрд долл. Рассмотрим основные используемые материалы.

Мышьяк:

Получение мышьяка выглядит гораздо меньшей проблемой. Получение мышьяка возможно из целого ряда источников. К их числу относятся пыль, образующаяся при выплавке меди, золота и свинца; обожженный арсенопирит (наиболее распространенный рудный минерал свинца). Его получают как попутный продукт при переработке концентратов меди, свинца, кобальта, а 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, содержащиеся в медном и свинцовом природном сырье, оцениваются примерно в 11 млн т.Общее производство в 2009 г. составило 53 500 т (в пересчете на трехокись мышьяка).

Галлий:

Имеющегося в бокситах галлия, как отмечалось, хватит на огромное количество СЭ. При расходе галлия 1 гр. Ga на КВт только 2% сегодняшнего годового 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:

Сложнее оценить ситуацию с подложечным материалом – германием. В земной коре германия не очень мало – 7.10-4% ее массы, больше чем свинца, серебра, вольфрама, но он очень рассеян. Германий присутствует в горных породах, рудах различных типов, каменных углях в виде изоморфной примеси или 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 между шлаком, остающимся в топочном пространстве, и летучей золой, уносимой вместе 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 производилось 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, например, количество 100 т Ge для солнечной энергетики, позволяет создать 6.7 ГВт генерирующих мощностей. Рассмотрим возможности существенного увеличения выпуска Ge. До определенных пределов такая задача разрешима. В 90-х гг. ХХ века и галлий, и германий переживали периоды бума, которые окончились резким спадом производства. Накопленные производственные мощности превышают сегодняшние потребности, а в случае необходимости могут быть увеличены.

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

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

Оценка возможных объемов выпуска СЭ на рассмотренных элементах

Самые оптимистические 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 традиционная технология получения кремния через трихлорсилан (Сименс-метод) дополнить мощности производства СЭ до этой величины? С высокой степенью уверенности можно утверждать, что нет.

Сегодня, как отмечалось, на традиционном Si изготавливается СЭ мощностью около 7 ГВт. Однако, экологическая опасность и дороговизна традиционных технологий получения кремния заставляет усомниться, что развитие солнечной энергетики пойдет только по пути тиражирования существующего основного способа производства Si-СЭ Сименс-методом из трихлорсилана.

Проблемы уже начались. В начале 2008 г., в городе Gaolong, Китай, местное население испытало последствия аварийного разлива четыреххлористого кремния (попутного продукта в Сименс-процессе) на с/х поля и вблизи школ. Реакцией на это были крупномасштабные волнения. В 2009 г. в ответ на неправильное обращение с отходами, специально созданная регулирующая правительственная группа Китая постановила, что никакие новые поли-кремниевые проекты с использованием традиционных процессов не будут одобряться. Даже если предположить, что к 2025 г. мощности традиционного Сименс метода удастся увеличить в 3-4 раза (что представляется крайне оптимистичной оценкой), то выпуск составит около 30 ГВт. А значит, суммарные мощности достигнут максимум 120 ГВт, но никак не 160 ГВт.

Оставшаяся «лакуна» должна быть заполнена какими-либо иными, не рассмотренными в данной работе технологиями. Рассмотрим кремниевые аморфные тонкопленочные элементы. На первый взгляд тонкопленочные аморфные Si-СЭ, в силу своей низкой стоимости, имеют неоспоримые преимущества:

- 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 традиционных;

Однако, аморфные СЭ обладают серьезными недостатками:

- значительная деградация к.п.д. – при продолжительном воздействии солнечной радиации в течение нескольких месяцев эффективность падает на 30-40% от первоначального уровня (эффект Стаблера-Вронского);

- эффективность, практически в два раза меньше и соответственно для выработки того же количества энергии (при одинаковых условиях) требуется в два раза большая площадь для их размещения;

- сложное и дорогостоящее оборудование для их массового производства;

- высокочистые, дорогостоящие газы (при увеличении объемов производства тонкопленочных элементов ожидается дефицит газов, прежде всего моносилана).

Существуют тонкопленочные СЭ второго поколения, например на базе микроморфно-аморфного кремния по технологии Oerlikon&Hevel Solar. Такие СЭ, по утверждениям разработчиков, показывают деградацию не более 10% за 10 лет и могут стать одним из перспективных направлений развития СЭ. Однако, проблема получения дешевого моносилана в больших количествах остается актуальной.

С этой точки зрения достаточно перспективно выглядит технология синтеза силицида магния, кислотное гидрирование, получение и очистка SiH4 разработанная в НПО «КВАНТ». Магнийтермический метод основан на получении высокочистого моносилана (SiH4), синтезированного при кислотном гидролизе силицида магния:

Mg2Si + 2HCl = MgCl2 + SiH4

Полученный таким образом дешевый моносилан можно использовать для производства тонкопленочных СЭ второго поколения.

Заключение

Данный расчет, конечно, не может претендовать на высокую точность и является, скорее, качественной оценкой, «методом максимальных оценок». Но результат означает, что:

- во-первых, рассматриваемые технологии, включая традиционные, не буду вытеснять друг друга, так как их совокупных усилий не хватит для обеспечения необходимых темпов роста, они будут развиваться параллельно;

- во-вторых, это означает, что инвесторы не могут позволить себе вкладывать все деньги на развитие только в рассмотренные и традиционные технологии. Финансирование новых альтернативных технологий должно быть продолжено.