Специалисты из корпорации Kaneka Corporation заявили на днях об установлении нового рекорда «производительности» фотоэлементов.
Теоретические пределы сырьевой электроэнергетики, обладающей вполне осязаемыми лимитами получения электричества путем сжигания углеводородов, вынуждают ученое сообщество постоянно искать все новые способы электрогенерации с использованием «бесконечных» ресурсов. Наиболее приоритетным из доступных альтернатив на ближайшие десятилетия должна стать солнечная энергетика, способная обеспечить потребности постоянно увеличивающегося в численности человечества с его ежегодно растущими энергетическими «аппетитами». Промышленные предприятия и крупные конгломерации — основные потребители электричества, вынуждающие ежегодно сжигать десятки миллионов тонн угля и нефтепродуктов, включая жидкий и летучий газ, чтобы получить требуемые объемы энергии для удовлетворения нужд человека. Чудовищные объемы попадающих в атмосферу продуктов горения и провоцируемое ими повышение температуры «воздушной прослойки» между земной корой и верхними слоями биосферы приводят к необходимости замены экологически «грязных» источников электричества на менее опасные для жизни на планете. Расположенное в центре галактики светило, по мнению ученых и представителей сферы энергетики, является самым дешевым и доступным средством электрогенерации, для использования которого необходимо применять появившиеся еще в прошлом веке фотоэлектрические преобразователи световой энергии в электрическую.
Речь идет о солнечных панелях, давно превратившихся из фантастической экзотики во вполне эффективные и повседневно используемые компоненты энергетических систем, включая курсирующую на околоземной орбите Международную космическую станцию. Запуск в массовое производство фотоэлементов, которые сегодня выпускаются десятками крупных и мелких компаний-производителей, позволил существенно снизить себестоимость их сборки, то есть сократить затраты потребителей на закупку солнечных батарей для обеспечения потребностей в электроэнергии в частных домохозяйствах. Отдаленность от районных центров и магистральных электросетей, что очень часто приводит к невозможности получить дешевое электричество без вложения десятков тысяч долларов в прокладку кабелей энергетиками, нередко становится причиной для покупки и установки таких элементов на крыше или во дворе дома. Более того, сегодня сегмент энергетики в Европе и США из сугубо государственного или коммерческого преобразовался в своеобразную гибридную систему получения и доставки энергии от поставщиков до конечных потребителей. Электрогенерацией сегодня занимаются не только крупные энергокомпании, владеющие тепло-, гидро- или атомными электростанциями, но и частные лица, потратившиеся на закупку фотоэлектрических элементов.
Однако еще более стремительному и масштабному развитию сферы солнечной электроэнергетики мешает достаточно низкая в сравнительных характеристиках эффективность фотоэлементов, не способная бороться по этому показателю с более дешевым и легкоизвлекаемым углем. Стоимость выработки 1 КВт электроэнергии с применением солнечных панелей существенно выше, чем сжигание требующегося для того же объема угля. Основная причина — высокая себестоимость производства фотоэлектрических пластин, что вместе с несоизмеримо более низкой эффективностью, для серийных продуктов обычно составляющей от 15% до 18% от показателя «облучающего» панель света Солнца, сводит к минимуму шансы заместить загрязняющую окружающую среду энергетику на альтернативную «чистую». По этой причине выработка электрической энергии на построенных в Европе и Соединенных Штатах Америки «солнечных плантациях» сегодня осуществляется с привлечением государственных субсидий, лишь незначительно перекрывающих объем производственных затрат на изготовление и эксплуатацию достаточно капризного оборудования. Результатом такой «гибридизации» становится очевидная дороговизна экологически чистого киловатта электроэнергии в сравнении с основными конкурентами.
Именно над решением этой проблемы бьются сегодня сильнейшие научные умы, решающие главную задачу начала текущего столетия — обеспечение приемлемых показателей эффективности для солнечных панелей при одновременном сокращении финансовых затрат на их производство. Сотрудникам Kaneka Corporation удалось частично решить этот вопрос путем существенного улучшения технических характеристик кремниевых пластин, участвующих в «ловле» и преобразовании энергии Солнца в более доступную и удобную для человека электрическую. Согласно обнародованному на страницах научного издания Nature Energy докладу ученых, разработанная в лабораторных условиях кремниевая фотоэлектрическая ячейка позволила достичь эффективности в 26,3%, что на 0,7% выше предыдущего мирового рекорда. Чтобы оценить достижение западных исследователей, достаточно вспомнить о теоретическом пределе для данного типа преобразователей — он составляет 29,1% КПД для фотоэлементов. Таким образом, современные солнечные элементы вплотную приблизились к теоретическому пределу эффективности, смещая приоритеты технических специалистов в другую, более «приемлемую» с производственной точки зрения плоскость — разработке более дешевых при серийном производстве методик создания кремниевых фотоэлектрических компонентов.
Текст опубликованного исследователями доклада раскрывает подробности о примененном в рамках практического исследования способе удешевления производства пластин — для этого был выращен диск из кристаллического кремния толщиной всего 165 микрометров, что намного меньше стандартной толщины серийных фотопанелей. Для уменьшения энергетических потерь в процессе преобразования пластину покрыли сверху аморфным кремнием, а всю поверхность вытравили для снижения уровня отражения света. Повысить эффективность элементов помогла фирменная гетепереходная технология и использование смешанных электродов. Дополнительно ученые переместили электродную сетку на тыльную часть панели, улучшив показатель «собираемости» лучей Солнца рабочей поверхностью установки. Рекордный показатель эффективности фотопанелей нового типа зафиксировали во Фрацунгоферовском институте солнечных энергетических систем, расположенном во Фрайбурге. Ближайшей задачей создателей теперь является расчет технологий, обеспечивающих развертывание массового выпуска таких фотоэлектрических панелей в промышленных масштабах с максимально возможным снижением себестоимости для товаропроизводителей. Останавливаться на достигнутом авторы разработки не намерены, уже анонсировав работы по дальнейшему повышению эффективности сверхтонкого кремния в новых солнечных элементах, рассчитывая улучшить полученный результат еще как минимум на 1%.
Стоит учитывать, что достигнутый в лабораторных условиях результат вовсе не означает о способности выпускаемых по новейшей технологии фотоэлементов обеспечивать зафиксированный уровень энергоэффективности — рекордные 26,3% КПД, скорее всего, так и останутся лабораторным и недостижимым в промышленном выпуске серийной продукции показателем. Тем не менее общее повышение эффективности фотопанелей в разворачиваемых во всем мире «солнечных плантациях» обеспечит потребителей самой чистой и безопасной для окружающей среды энергией, которая когда-нибудь сумеет заслужить и звание самой дешевой.