Безоблачное будущее тонкопленочных технологий

Научная школа и база для подготовки квалифицированных специалистов дают импульс развитию в Петербурге исследовательских проектов в сфере тонкопленочных технологий. Они имеют широкое применение – от создания защитных покрытий в изделиях электроники до производства солнечных энергоустановок В 2013 году в Петербурге начали работать две лаборатории, решающие задачи отработки промышленных применений и совершенствования технологий производства тонкопленочных покрытий с целью передачи их на предприятия, а также обучения персонала. Обе лаборатории предоставляют в том числе услуги по проведению научно-исследовательских работ для разных заказчиков, то есть являются центрами коллективного пользования (ЦКП).

В июле 2013 года начал работать ЦКП «Оптоэлектроника». Он создан на базе ООО «Научно-технический центр тонкопленочных технологий в энергетике при Физико-техническом институте имени А.Ф. Иоффе». В свою очередь учредителем созданного при Физтехе НТЦ выступает ООО «Хевел» – первый в России производитель тонкопленочных солнечных модулей (преобразователей солнечной энергии в электрическую), расположенный в городе Новочебоксарске (Чувашия). Компания «Хевел» принадлежит группе компаний «Ренова» Виктора Вексельберга (51%) и ОАО «Роснано» (49%).

В ноябре 2013 года финская компания Beneq Oy открыла в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» лабораторию, где установила оборудование для нанесения тонкопленочных покрытий на материалы, используемые в производстве изделий электроники.

Крупным совладельцем Beneq также является компания «Роснано» (42,8%). В апреле 2012 года ОАО «Роснано» вложило 25 млн евро в увеличение уставного капитала Beneq Oy и приобретение акций у акционеров компании. Beneq основана в 2005 году.

НТЦ при Физтехе организован с целью сопровождения производства в Новочебоксарске – проведения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, а также дальнейшего масштабирования получаемых результатов от опытных образцов до промышленных изделий. Инвесторы вложили в создание научно-технического центра 2 млрд рублей. НТЦ тонкопленочных технологий построен на арендованных площадях бывших механосборочных цехов Физтеха и занимает 3000 кв. м. Здесь установлена опытная технологическая линия для производства солнечных модулей и других приборов.

«НТЦ – это прототип производства, – объясняет заместитель генерального директора ООО “Научно-технический центр тонкопленочных технологий в энергетике при ФТИ имени А.Ф. Иоффе” Евгений Теруков. – Это передача технологий в производственную линейку, обучение персонала».

Одна из задач НТЦ, рассказывает Евгений Теруков, – повысить коэффициент полезного действия солнечных модулей. КПД солнечных модулей, выпускаемых на заводе в Новочебоксарске, составляет 8,9%. НТЦ работает над тем, чтобы довести его до 15%, а также добиться снижения себестоимости и увеличения жизненного цикла изделий с 10 до 20 лет.

Долгий срок службы имеют более распространенные в мире преобразователи солнечной энергии, созданные на основе монокристаллических материалов. На таких преобразователях работают около 90% солнечных электростанций. Например, используемые в солнечных энергоустановках пластины из кристаллического кремния служат до 20 лет. Толщина таких пластин составляет порядка 200 мкм (0,0001 м). Но по сравнению с тонкопленочными пластинами у них меньшая энергоэффективность, а себестоимость их выпуска в четыре раза выше.

Тонкопленочные солнечные модули, выпускаемые на заводе «Хевел», имеют толщину 3 мкм (0,000001 м). Тонкопленочный слой представляет собой комбинацию тонких пленок аморфного и микрокристаллического кремния. Для получения солнечного модуля пленка наносится на стеклянную пластину размером (1,1х1,3) м. Из таких модулей и собирают энергоустановки.

Важным фактором при выборе площадки для открытия НТЦ, сопровождающего производство солнечных модулей в Новочебоксарске, стала возможность взаимодействовать с центром технологии материалов и с лабораториями Физтеха – привлекать экспертов и получать возможность доступа к исследовательскому оборудованию.

Ученые ФТИ начиная с 80-х годов XX века проводят работы в области технологии и физики аморфных полупроводников. Соответственно, кроме предоставления площадки для проведения научно-исследовательских работ, Физтех обеспечивает НТЦ квалифицированными специалистами. В научно-техническом центре работают десять человек, среди них восемь – кандидаты и доктора наук.

Одним из направлений развития тонкопленочных технологий, с которыми работает НТЦ при Физтехе, отмечает Евгений Теруков, будет замена стеклянных подложек для производства солнечных модулей полимерными, что удешевит производство, а также позволит расширить ассортимент выпускаемой продукции. «Мы планируем расширять номенклатуру, – говорит Евгений Теруков. – Технология может использоваться для производства жидкокристаллических экранов и люминесцентных дисплеев, для фотоприемных устройств, устанавливаемых, например, на пограничных пунктах, для сканеров различного применения, полимерных светодиодных обоев и светильников».

Непосредственно наукой – исследованием свойств материалов и работой с образцами – занимается центр коллективного пользования «Оптоэлектроника». Его задача – увеличивать возможности НТЦ в сфере НИОКР и снижать затраты на проведение исследований и разработок.

ЦКП имеет статус участника инновационного технопарка «Сколково». На его создание НТЦ при Физтехе получил грант фонда «Сколково» в сумме 350 млн рублей.

По словам Евгения Терукова, ЦКП «Оптоэлектроника» уже завершил порядка десяти работ для сторонних заказчиков и выполняет научно-исследовательские работы для пяти компаний, три из которых – резиденты технопарка «Сколково». ЦКП занимается характеризацией образцов, проводит исследование свойств оптических покрытий и полимерных материалов. Однако это краткосрочные контракты продолжительностью от двух недель до одного месяца.

Долгосрочные проекты «Оптоэлектроники» – это совершенствование тонкопленочных технологий в интересах завода «Хевел». До 2016 года ЦКП должен выполнить для новочебоксарского предприятия шесть научно-исследовательских работ. С 2014 года «Оптоэлектроника» планирует начать выполнение долгосрочных работ и для других заказчиков.

Размещение лаборатории в СПбГЭТУ «ЛЭТИ» – уже опробованная финской Beneq стратегия открытия партнерских лабораторий и создания совместных с вузами и научными институтами исследовательских центров. У компании есть несколько партнерских лабораторий в университетах Финляндии. В Суоми работает и приобретенный Beneq в ноябре 2012 года завод Lumineq, который производит электролюминесцентные дисплеи.

В России оборудование для нанесения тонкопленочных покрытий компании Beneq имеют национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», Московский инженерно-физический институт, Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики, Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарева и Северо-Кавказский государственный технический университет.

«В марте 2013 года открылось представительство Beneq в Петербурге, – говорит советник по развитию бизнеса Beneq Oy в России Олег Рождественский. – Лаборатория – это следующий шаг в продвижении на российском рынке. Она открыта, чтобы технологически поддержать продажи».

Основные задачи лаборатории в ЛЭТИ – демонстрация метода нанесения покрытий и оказание услуг по нанесению тонких пленок. Цель компании Beneq в России – продажа оборудования и технологии нанесения покрытий. Поэтому лаборатория, отмечает Олег Рождественский, является важным элементом цикла продаж. Лаборатория в ЛЭТИ будет адаптировать технологию под нужды заказчика, выполнять пилотное покрытие небольших партий образцов, а также станет базой для обучения сотрудников компании-заказчика.

Электротехнический университет оказался наиболее удобным партнером для финской компании в Петербурге. По словам Олега Рождественского, факторами, по которым компания Beneq выбрала СПбГЭТУ «ЛЭТИ», стали предшествующий опыт сотрудничества, готовые помещения – «чистые» комнаты – для размещения лаборатории и квалифицированные специалисты университета. В зависимости от объема заказов в лаборатории будут работать от пяти до десяти человек, однако на первом этапе достаточно одного специалиста, отмечает Олег Рождественский.

Интерес к ЛЭТИ связан и с промышленностью, с которой взаимодействует университет, поскольку Beneq ведет переговоры о поставках оборудования на российские предприятия микроэлектроники.

Применяемый компанией Beneq метод создания тонкопленочных покрытий (осаждение атомных слоев) позволяет достигать минимальной толщины (от нанометров до микрометров) наносимой пленки и максимальной равномерности покрытия. В производстве изделий электроники такие покрытия применяются в качестве барьерных слоев (защита материалов от взаимного воздействия) и пассивационных слоев (защита материалов от электрических, химических воздействий и других воздействий окружающей среды). Технология нанесения покрытий методом атомно-слоевого осаждения применима в производстве оптических устройств, солнечных модулей, люминесцентных дисплеев.

Первая электростанция, энергию для которой вырабатывают тонкопленочные солнечные модули в сочетании с резервными источниками – дизельгенераторами, открыта в июне 2013 года в поселке Яйлю Турочакского района Республики Алтай. Мощность станции – 100 кВт. Это совместный проект Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе и ООО «Хевел», реализованный при поддержке Минобрнауки России с привлечением внебюджетных средств.

По расчетам специалистов Физтеха, через пять-шесть лет работы электростанция выйдет на самоокупаемость. Это будет достигнуто в том числе за счет продажи электроэнергии.

Начиная с 2014 года в России стартует программа, в ходе реализации которой будет инсталлировано 70 МВт солнечной энергии. Эксперименты, где сравнивается эффективность кремниевых и тонкопленочных фотоэлементов, проходят в семи регионах РФ.

Завод «Хевел» в Новочебоксарске производит 1 млн тонкопленочных солнечных модулей общей мощностью 130 МВт в год. КПД солнечных модулей «Хевела» составляет 8,9%, используемая технология позволяет увеличить его до 15%.