Галлий-арсенидным фотоэлементам пора спуститься с небес на землю

Кремний дёшев и потому правит в мире сегодняшних фотоэлементов. Однако в последнее время его КПД почти не растёт, а дальнейшее снижение цен трудно себе представить. Не пора ли всерьёз задуматься об альтернативах?

С кремниевыми фотоэлементами всё в порядке: они недороги, да и энергоёмкость их производства резко снизилась. И именно это сдерживает выход на рынок органических аналогов, долгое время резко выделявшихся меньшей ценой. Та же геолиотермальная электростанция «Айвенпа» мощностью 377 МВт при всех её положительных качествах (производство энергии ночью и способность резко менять выработку в зависимости от потребностей сети) имеет серьёзный недостаток перед современной солнечной батареей: киловатт её мощности стоит $5 561, то есть примерно вчетверо больше фотоэлементных аналогов, пусть и неспособных к ночному труду. Несмотря на то что коэффициент использования установленных мощностей у «Айвенпы» равен 29%, что вдвое с лишним выше, чем у кремниевых панелей в той же части планеты, четырёхкратную разницу в цене это не перебивает — по крайней мере до тех пор, пока фотоэлементная энергетика не захватила более 20% энергорынка и стабильность снабжения не стала крупным преимуществом в глазах сети.

Однако и у кремния есть, так сказать, свой level cup, или, если угодно «кащеева смерть»: цене на него, кажется, просто некуда падать, она и так уже равна лишь половине стоимости киловатта мощности солнечной электростанции. Остальное уходит на электротехнику, преобразование постоянного тока батарей в переменный сетевой и стоимость рам для установки фотоэлементов. Конечно, и тут есть резервы. Скажем, давно говорится о том, что надо бы делать из постоянного тока переменный, притом что компьютеры, электроника, светодиоды и бездна бытовой техники нуждаются именно в постоянном токе, и им потом ещё раз его надо преобразовывать... Мол, для локальной генерации солнечной энергии есть смысл с самого начала ориентировать сеть в пределах домовладения на постоянный ток, что уменьшит потери и значительно удешевит оборудование крыши солнечными батареями.

Но что делать обычным крупным электростанциям? Ведь они-то не смогут использовать постоянный ток, поэтому на электротехнике особо не сэкономят, а стоимость генерации от Солнца хочется снизить ещё и ещё, чтобы она не просто уравнялась с тепловой, но и была даже дешевле.

Американцы Джон Роджерс (John Rodgers) из Иллинойсского университета в Урбане и Шампейне и Гарри Этуотер (Harry Atwater), представляющий Калифорнийский технологический институт, руководят проектами, которые пытаются заменить вездесущий кремний галлий-арсенидными фотоэлементами. Назвать идею новой трудно: Жорес Алфёров создал их в 1970 году, и уже в 1980-х они обогнали кремний по КПД. Но есть тонкости: кремний впятеро дешевле арсенида галлия, так что хотя эффективность однослойной солнечной батареи на последнем и достигает 28,8% (что процентов на десять выше, чем у «серийного кремния»), лобовое сопоставление их параметров кажется не слишком обнадёживающим, отчего GaAs пока победил кремний лишь в энергообеспечении космических кораблей, спутников и планетоходов. Посему и Этуотер, и Роджерс упирают на то, что традиционные подходы к производству галлий-арсенидных фотоэлементов нужно просто пересмотреть.

Кремний не слишком здорово поглощает свет: уже 5-микрометровый слой выглядит полупрозрачным и для гелиоэнергетики не годится, а реальные фотоэлементы обычно производят из слоёв в 100 мкм. Арсенид галлия, напротив, отлично «усваивает» видимый свет, но нынешние методы создания солнечных батарей на его основе используют избыточно толстые листы. Просто потому, что материал заметно менее прочен и более хрупок, чем кремний, да и надёжных массовых техпроцессов изготовления действительно тонких пластин из него пока нет.

Так вот, обе исследовательские группы научились делать такие фотоэлементы экстремально тонкими при помощи непрерывных процессов. Команда г-на Этуотера просто отрывает сотни тонких слоёв арсенида галлия от одного слитка (как графен от графита). Ну а Джон Роджерс с сотрудниками выращивают сразу множество слоёв арсенида галлия, разделённых расходуемой вытравливаемой позднее полимерной плёнкой. После снятия таких слоёв кремниевую подложку, на которой культивируется материал, можно использовать повторно, что резко удешевляет конечный продукт. Пластиковая штампующая поверхность затем осторожно наносит слои материала на любую подстилающую поверхность, придавая солнечной батарее нужную прочность.

Но арсенид галлия сложно выращивать большими пластинами, поэтому, как и в современных наземных галлий-арсенидных батареях, отдельные фотоэлементы сравнительно невелики, и для того, чтобы использовать их со всей эффективностью, применяется простая и недорогая концентрирующая подсистема. Роджерс и Ко используют для этого простую сферу из прозрачного термостойкого пластика, которая концентрирует солнечные лучи с поверхности своего сектора фотоэлемента на небольшую галлий-арсенидную пластинку. Гарри Этуотер практикует несколько менее очевидный подход. Когда фотон поглощается полупроводником и порождает пару электрон — дырка, с последней могут случиться три вещи: попадание на электроды (генерация тока), рекомбинация (бесполезный вариант, кончающийся нагревом фотоэлемента) и нечто среднее — рекомбинация, при которой испускается ещё один фотон, пусть обычно и меньшей энергии.

Подход г-на Этуотера нацелен на минимизацию вероятности второго варианта; кроме того, он уменьшает вероятность потери фотонов «второго поколения», появляющихся от третьего варианта развития событий. Чтобы предупредить их потерю, галлий-арсенидные пластинки помещают на отражающую подложку.

Ну а для концентрации поступающего света используется пара параболических линз, расположенных «спиной» друг к другу — вроде двух букв U, которые спаяны по нижнему краю. Эта пара зеркал позволяет направлять фотоны со сравнительно большой площади на пластину фотоэлемента, что означает меньшее расходование материала на единицу полезной площади солнечной батареи. При этом другой конец «буквы U» работает как отражающая поверхность, что не даёт фотону, попавшему в концентрирующее микроустройство, выбраться обратно.

Кроме того, обе группы заняты созданием многокомпонентных фотоэлементов на галлий-арсенидной основе. Джон Роджерс использует стандартный путь, уже испробованный в космосе: его фотоэлементы такого рода располагают четырьмя слоями, которые настроены на слегка разные длины волн при помощи пластин, допированных небольшим количеством других элементов.

Гарри Этуотер уходит от традиционной многослойности: на вершине его многокомпонентных систем используется что-то вроде призмы, разбивающей поступающий солнечный свет на компоненты, которые подаются к разным по составу пластинкам. Идея в том, чтобы волны одной части спектра не гасились при прохождении через верхние слои, а подавались бы к фотоэлементу без потерь, да и производство ряда разных однослойных солнечных батарей на одной механической основе должно быть дешевле, нежели одного многослойного фотоэлемента.

Обе университетские группы уже учредили стартапы по коммерциализации своих технологий. Г-н Роджерс пока опережает в практике, имея опытно-промышленную электростанцию мощностью 5 МВт с КПД многослойных установок около 40%. Наш соотечественник, наверное, недоверчиво воспримет термин «опытная» в отношении электростанции, которая мощнее самой крупной гелиоЭС России, но в США эти цифры действительно выглядят скромными, так что иллинойсцы в скором времени намерены нарастить её мощность до 80 МВт, добившись падения издержек при производстве GaAs-фотоэлементов при помощи эффекта масштаба. По их оценкам, цены на электроэнергию, производимую подобной многомегаваттной ЭС, будут ниже, чем у угольных ТЭС, всё ещё доминирующих в Америке. Группа Гарри Эуттера пока лишь начинает создание собственных полевых мощностей, однако обещает побить конкурента по стоимости полученного электричества.

Очень часто те или иные технологии не идут дальше демонстрационной фазы, да и тогда отказ от них в будущем совсем не исключён (как это случилось с теплоходами в XX веке). Тем не менее так называемые рыночные силы (точнее — тенденции движения рынка солнечной генерации) на сей раз явно на стороне галлий-арсенидных фотоэлементов. В отличие от кремниевых, они позволяют получать в 1,6 раза больше энергии с одного участка поверхности, что позволит серьёзно сэкономить на стоимости их установки, часто доходящей до половины стоимости гелиогенерирующих мощностей. Кроме того, даже несмотря на высокую цену, использование слоёв в 20 раз тоньше тех, что идут на кремниевые солнечные батареи, и впрямь позволяет надеяться на удешевление солнечного киловатт-часа до уровня тепловой энергетики (и даже меньше). В общем, мы довольно высоко оценили бы шансы иллинойсцев и калифорнийцев в конкурентной борьбе на этом рынке.

Отчёт об исследованиях был представлен на собрании Американской ассоциации содействия развитию науки.