Рассмотрено влияние развития комбинаторности современных полупроводниковых материалов при производстве солнечных преобразователей для производства электроэнергии. Обосновано, что при развитии солнечных преобразователей важное значение имеют инновационные решения по использованию и размещению солнечных панелей на основе солнечных фотоэлементов
полупроводниковые материалы, комбинаторность, производство, солнечные преобразователи, инновации в размещении
Солнечная энергетика переживает бурный рост, становясь все более важным элементом глобальной энергетической системы. За последние десять лет установленная мощность солнечных электростанций по всему миру увеличилась более чем в 17 раз, взлетев с 41,6 ГВт до впечатляющих 714 ГВт, согласно данным Международного агентства по возобновляемым источникам энергии (IRENA) [2]. Только в 2020 году было добавлено 127 ГВт новых мощностей – показатель, демонстрирующий стремительное развитие отрасли. Этот взрывной рост напрямую связан с увеличением производства солнечных панелей. По оценкам Clean Energy Associates (CEA), глобальные производственные мощности по изготовлению солнечных панелей достигли примерно 400 ГВт к концу 2021 года, а мощности по производству новых элементов для панелей составляли 325 ГВт. Однако, несмотря на впечатляющие цифры, потенциал солнечной энергетики далеко не исчерпан, и ученые активно работают над повышением эффективности солнечных элементов.
История развития солнечной энергетики начинается в 1839 году: Александр Эдмон Беккерель открыл фотоэлектрический эффект (преобразование энергии солнца в электричество). В 1888–1890 годах фотоэффект систематически изучал русский физик Александр Столетов. В 1905 году Альберт Эйнштейн дал теоретическое объяснение всем трем законам фотоэффекта, за что в 1921 году он получил Нобелевскую премию. В 1930-х годах физики СССР во главе с Абрамом Федоровичем Йоффе получили электрический ток, используя фотоэффект (на то время КПД не превышал 1 %). Уже в 70-х годах КПД солнечных панелей был около 10 %, и они активнее начали использоваться на космических аппаратах, однако на Земле их использование было нерациональным, ввиду маленького (по сравнению с другими источниками энергии) КПД и дороговизны.
Стоит отметить, что в середине 90-х годов КПД солнечной панели составлял примерно 15 %, а в начале 21 века его удалось поднять до 20 %. Принцип действия современных солнечных батарей сохранился, несмотря на многолетнюю историю их существования. Усовершенствованию подверглась лишь конструкция и материалы, используемые в производстве, благодаря которым производители постепенно увеличивают такой важный параметр, как коэффициент фотоэлектрического преобразования или КПД устройства. Стоит также сказать, что величина выходного тока и напряжения солнечной батареи напрямую зависит от уровня внешней освещенности, который воздействует на нее [3].
Главная задача разработчиков солнечных панелей состоит в увеличении КПД солнечных панелей. КПД солнечных батарей зависит от различных типов полупроводниковых преобразователей. Исследования эффективности полупроводниковых преобразователей с момента начала их промышленного использования до настоящего времени показывает, что с каждым годом наблюдается рост КПД. Наибольшее значение КПД (до 40 %) солнечных фотоэлементов (СФЭ) было достигнуто для систем на основе полупроводниковых соединений типа AIIIBV (или А3В5), в то время как для остальных полупроводников КПД в настоящее время не превышает 20-25 %.
Кроме использования новых материалов и соединений при развитии солнечных преобразователей для производства электроэнергии важное значение имеют инновационные решения по использованию и размещению солнечных панелей на основе СФЭ. Например, использование солнечных панелей на крыше здания не всегда вписывается в его архитектурный образ. Компания Tegolasolare первая в мире создала черепицу со встроенными солнечными батареями. В черепицу встраиваются фотоэлектрические модули, а каждая секция этой крыши содержит фотоэлектрическую солнечную батарею. Она выглядит весьма современно, практично и красиво.
Заслуживает внимания появление на рынке солнечных технологий новой разработки американских конструкторов из «Pythagorus Solar Windows». Суть инновации в том, чтобы использовать оконное стекло в качестве панели, добывающей солнечную энергию. Подобные панели по полной используют в высотках европейских городов. Это позволяет существенно экономить электроэнергию. Технология солнечных окон представляет собой использование фотоэлементов в виде кремниевых полос, встроенных между стеклами. Помимо того, что окна будут вырабатывать дополнительную электроэнергию, в дополнение окно будет защищать комнату от перегрева, задерживая солнечный свет. Внешне солнечные окна похожи на привычные жалюзи.
В России, так же, как и в других странах имеются действующие промышленные объекты солнечной энергетики. Среди недостатков солнечной энергетики можно отметить сильную зависимость выработки энергии от погодных условий, сезона, времени суток и дороговизна оборудования и установки.
На основании проведенных исследований можно сделать вывод, что у солнечной энергии в России неплохие показатели: суммарный приход солнечной радиации в среднем по стране составляет более 1 кВт/м2 в год. Вопрос состоит в том, как правильно развивать солнечную энергетику в условиях территориального климата страны. В России развитие солнечной генерации происходит медленно. Основную долю в энергобалансе страны занимают нефть, уголь и газ. Тем не менее, по прогнозу Международного энергетического агентства, доля углеводородного сырья в РФ постепенно снижается, и к 2040 году достигнет 66 %, уступив место альтернативным источникам энергии. Сегодня доля солнечной генерации в энергобалансе страны составляет всего 0,001 %. В сравнении со значением энергобаланса мировой энергетики этот процент довольно мал. Например, Германия имеет самую высокую долю солнечной энергии (21,58 %) в энергетическом балансе, что в несколько десятков тысяч раз превышает российский показатель. Наиболее развитыми регионами нашей страны в отрасли солнечной генерации можно назвать Республику Алтай, Краснодарскую и Белгородскую области. Самая крупная на сегодняшний день отечественная солнечная электростанция (СЭС) мощностью 5 МВт была запущена в 2014 году в Республике Алтай – Кош-Агачская СЭС. Не уступают ей и крымские СЭС. В связи с геополитическими проблемами и отсутствием необходимой инфраструктуры Крымский полуостров вынужден опираться на альтернативные источники энергии. «Перово» – самая крупная солнечная электростанция Крыма мощностью 105 МВт.
В заключение следует отметить, что наиболее распространенные виды СФЭ на основе кремния имеют КПД 18-23 % и ведутся разработки по его повышению за счет различных материалов и конструктивных решений с использованием соединений типа AIIIBV: GaAs, GaAlAs, GaInAsP, InAs, InSb, InP, а также использования оксидного неорганического стекла в качестве подложки тонкокопленочного СФЭ, что позволяет повысить КПД СФЭ до 40 %. Наиболее перспективными преобразователями солнечной энергии являются тонкопленочные СФЭ на основе аморфного кремния. Их изготавливают на металлической фольге, например, из нержавеющей стали, и полимерных пленках, снабженных металлическим покрытием. Поэтому использование таких подложек совместимо с технологией массового производства гибких СФЭ. Новейшие конструкции, такие как солнечная черепица и солнечное окно, позволяют не только пользоваться доступной электроэнергией, но и лаконично встроить солнечные панели в дизайн фасадов. Все разработки ученых ведут к бурному развитию солнечной энергетики в мире, а также доступности применения солнечных батарей в быту каждому человеку.
1. Коновалов, Ю.В. Развитие солнечной энергетики в России и мире / Ю.В. Коновалов, А.А. Козина // Вестник Ангарского государственного технического университета. 2015. № 9. – С. 156-160.
2. Коновалов, Ю.В. Анализ качества электроэнергии на предприятии / Ю.В. Коновалов, И.И. Воробьев // Вестник Ангарской государственной технической академии. 2014. № 8. – С. 57-60.
3. Коновалов, Ю.В. Расчет инсоляции солнечной фотоэлектрической электростанции с учетом геолокационных и погодных параметров / Ю.В. Коновалов, А.Н. Хазиев // iPolytech Journal. 2022. Т. 26. № 3. – С. 439-450.
