Альтернативная энергетика занимает крупную долю рынка в ряде стран Европы и в США. Фонды инвестируют значительные средства в создание солнечных тепловых и фотоэлектрических станций. Что касается солнечных элементов, количество вырабатываемой ими энергии зависит от КПД преобразования солнечной энергии в электрическую. Научные и коммерческие организации уже много лет занимаются повышением этого показателя, и надо сказать, некоторым разработчикам это удается.
Теоретический предел эффективности работы кремниевых фотоэлементов составляет 29%. Говоря о таком пределе, подразумевается «чистый» фотоэлемент без призм, концентраторов и прочих добавлений. Для коммерческих систем современности очень хорошим показателем можно считать 15-19%. Разработчикам компании Kaneka Corporation удалось повысить КПД своих фотоэлементов до 26,3%, побив предыдущий рекорд в 25,6%.
Ученые, принимавшие участие в создании этих фотоэлементов, заявили, что могут повысить КПД еще немного, до 26,6%, но для этого нужно еще некоторое время для дополнительных исследований. Результат, заявленный японцами, подтвержден специальной комиссией, National Renewable Energy Lab (NREL).
Разработчики фотоэлемента нового типа рассказали о том, что площадь полезной поверхности ячейки составляет 180.4 см2. В батарее использовался тонкопленочный гетеропереход (контакт двух разных полупроводников) для минимизации так называемых запрещенных зон. Это области значений энергии, которыми не может обладать электрон. Плюс ко всему, верхний слой батареи был накрыт аморфным кремнием с противоотражающим покрытием для минимизации альбедо и снижения рассеивания фотонов.
Сеть электродов была опущена с поверхности ячейки к ее «дну». Таким образом создателям, по их словам, удалось увеличить количество солнечных лучей, поступающих в ячейку с одновременным уменьшением оптических потерь.
Разработчики, проанализировав потери энергии в новой батарее, смогли понять, что мешает достичь КПД в 29%, теоретического предела для фотоэлементов. Полпроцента потерь, по отношению к 29% — это потери из-за сопротивления проводников, 1% — потери солнечной энергии в оптическом слое и 1,2% — потери при внешней рекомбинации. Это случаи встречи свободных электронов с положительно заряженными дырками с последующим воссоединением с положительными ионами.
«Существует большое количество материалов, техпроцессов и типов архитектуры фотоэлементов, которые можно использовать», — говорит Кунта Ёсикава, представитель команды разработчиков солнечной ячейки из компании Kaneka. — «Мы достигли эффективности в 26,3% благодаря разработке собственной технологии химического осаждения структурных элементов батареи из парообразного состояния, работе с оптическими свойствами материала и тонкопленочной технологии».
Эта компания разрабатывает тонкопленочные солнечные батареи, начиная с 1980 года. Над фотоэлементами с гетеропереходом Kaneka работает с 2009 года. «Один из ключевых шагов для создания таких фотоэлементов — использование химического плазменного осаждения — процесса, который можно использовать в промышленности», — заявил Ёсикава.
По его мнению, при создании высокоэффективного фотоэлемента необходимо соблюдать баланс между таким важным критерием, как срок службы батареи, внутренним сопротивлением и ее оптическими свойствами. «Хотя вполне возможно достичь выдающихся результатов для одного из названных факторов, чрезвычайно сложно соблюдать баланс всех трех свойств в одном устройстве, — говорят разработчики.
Прогресс в КПД фотоэлементов с 70-х годов прошлого века по наши дни
Японцам это удалось благодаря использованию специфической архитектуры передней панели, которая обеспечивает отличные оптические свойства и одновременно продолжительность жизни фотоэлемента. Плюс ко всему, специалисты добились и снижения внутреннего сопротивления батареи, хотя это было и непросто.
Представители компании Kaneka заявляют, что технологический процесс создания таких элементов можно использовать на предприятиях для производства солнечных батарей с высоким КПД в промышленных количествах. Исследование было профинансировано NEDO (New Energy and Industrial Technology Development Organization). Сейчас разработчики вместе с NEDO планируют добавиться снижения себестоимости „солнечного“ электричества до отметки в 0,06$ за киловатт-час к 2030 году.
Компания Panasonic несколько лет назад тоже занималась повышением КПД фотоэлементов. Разработчикам этой компании удалось повысить показатель вплоть до 25,6%. Площадь поверхности солнечного элемента у Panasonic составила 143,7 см2. Кстати, эта команда тоже использовала тонкопленочный гетеропереход.
Комментарии (53)
toteKopf
25.03.2017 03:36-1Использование процессов, которые применимы в текущем производстве это хорошо. Планы к 2030 году снизить стоимость солнечной электроэнергии до 6 центов за квт/ч тоже хорошо. Однако, как всегда, осталась за кадром информация о сроке службы, примерной цене производства. Ну и не забудем про то, что кто-то должен вкладывать в разработку и производство деньги аж до 2030 года, чтоб планы сбылись.
VenomBlood
25.03.2017 03:49Хорошие планы. При 6 центах за квт/ч можно заплатить 2500 долларов и через сутки иметь станцию на гигаватт мощности. Проблема только в том куда через несколько лет тепло девать?
coturnix19
25.03.2017 04:40Если это пиковая мощность то нужно минимум 500 гектаров, тут уже цена самих элементов перестает быть важна — на первое место выходи цена земли (если в цивилизации) либо цена доставки до цивилизации — если строить на отшибе, плюс обслуживание.
anatoly314
25.03.2017 14:03-1Альтернативный вариант разместить солнечные батареи на геостационарной орбите и посылать энергию микроволновым излучением, такие демо проекты даже были реализованы.
darthmaul
25.03.2017 17:28+3такие демо проекты даже были реализованы
что, именно с космоса посылали энергию? Геостационарная орбита — это 35786 километров над поверхностью Земли. Эта микроволновка будет греть всю Землю равномерно. Куда реальнее размещать такие батареи в море, заодно и охлаждение батарей под рукой.
charypopper
26.03.2017 11:31А потом тепловое загрязнение — и не понять как отразится это на всей экосистеме.
DistortNeo
25.03.2017 04:59+3Тепло можно просто рассеивать. Ведь не будь солнечных панелей, солнце бы просто нагревало поверхность земли. А в случае с панелями часть этого тепла просто преобразуется в электричество, излишек которого можно превращать обратно в тепло.
VenomBlood
25.03.2017 05:01Тоже верно, будет огромное поле солнечных панелей, а рядом — огромное поле радиаторов, чтобы сбрасывать излишек энергии. Ну или отключающиеся панели. Правда у меня все еще есть сомнения что за $2500 мне будут по 500 гектаров в день застраивать солнечными панелями, хоть в 2030 году хоть в 2040.
Stalker_RED
25.03.2017 09:43-2А никто и не говорил, что установка и доставка панелей уже входит в стоимость.
VenomBlood
25.03.2017 09:46+5А что входит в стоимость если единица измерения кВт/ч? 6 центов за пожизненного раба, который будет возводить 1 кВт установленной мощности в час.
coturnix19
25.03.2017 22:12Тут кстати возникает небольшая проблема, в обычных условиях типичного европейского климата (к которому все привыкли и по которому судят) большая часть солнечной энергии уходит на испарение воды, а если это поле то значительный процент и просто отражается — уж не помню, но альбедо степи где-то под 20%, лес конечно потемнее будет. Это испарение эффективно понижает температуру как самой поверхности так и в некоторой мере воздуха (хотя добавляет в первом приближении к парниковому эффекту). В случае если испарения нету, температуры воздуха запросто вылазаят за 30С а непосредственно поверхности — может быть и 50 и 60 и 70 если повезет, так что радиаторы придется либо ну ооочеь сильно греть, либо строить градирни.
darthmaul
25.03.2017 23:23А зачем вообще радиаторы? Современные панели как-то и без них обходятся. Да, при размещении на море (читай — бесплатное охлаждение) можно и заморочится ради КПД, но на суше то зачем?
aydahar
25.03.2017 09:44+16 центов за кВт*ч — это стоимость генерируемой энергии, а не стоимость установленной мощности
VenomBlood
25.03.2017 09:46-1Человек выше говорил не про энергию в про скорость прироста установленной мощности.
aydahar
25.03.2017 09:52Не вижу этот комментарий. Что в статье, что в комментарии на который Вы ответил — везде цена за кВт*ч, значит речь о стоимости генерации.
VenomBlood
25.03.2017 09:54Использование процессов, которые применимы в текущем производстве это хорошо. Планы к 2030 году снизить стоимость солнечной электроэнергии до 6 центов за квт/ч тоже хорошо.
stAndrew
25.03.2017 11:20+2квт/ч — это единица измерения чего?
VenomBlood
25.03.2017 11:27Изменения мощности с течением времени. Например 300 кВт/ч — это примерно 1 средняя АЭС в год.
stAndrew
25.03.2017 13:08Ничего не понял. 300 киловатт в час — это примерно 1 средняя АЭС в год? Это как? В году 8760 часов, соответственно 300 x 8760 = 2628000 киловатт или 2.6 гигаватта. На столько меняется мощность средней АЭС в год?
VenomBlood
25.03.2017 13:12+1Да. Примерно на столько, если ее за этот условный год каким-то чудом построят с нуля. Ну или смотря как считать, можно просто ввести в эксплуатацию.
Tsimur_S
25.03.2017 11:29+4автор комментария ненавязчиво намекает о том что нужно писать кВт*ч, а не кВт/ч
toteKopf
25.03.2017 13:33-7Не передергивайте. Речь шла именно о стоимости генерации энергии, а то что ошибся в обозначении не повод устраивать этот балаган в комментариях.
VenomBlood
25.03.2017 13:42+11Да действительно. Кому важны обозначения. Можно еще киловатты с киловатт*часами напутать. И проценты с процентными пунктами. И массу а амперах измерять.
Зачем писать что-то о чем не имеете не малейшего понятия и даже не знаете единиц измерения?
trapwalker
25.03.2017 14:57-1Массу в амперах, конечно, не получится померять, но в АмперВольтЧасах можно. Ну или АмперВольтСекундах… кому как нравится. В рюмке водки помещается примерно 9 петаАмперВольтСекунд энергии. Проще, конечно, джоулями это называть.
VenomBlood
25.03.2017 23:09+2Ну тогда вашими словами массу можно и в кубометрах мерять, главное условия перевода обговорить.
sergku1213
25.03.2017 16:40-16 центов за квтч — читали внимательно? Это значит за ВЕСЬ срок службы. КВТЧ — это НЕ МОЩНОСТЬ, а произведенная энергия. Так что за 2500 Вы получите похоже, станцию на 42 киловатта, которая отработает тысячу часов или станцию на 1квт, которая отработает 42000 часов.
VenomBlood
25.03.2017 22:19-1Вот к вам и вопрос. Изначально у вас в каменте было кВт/ч, что показывало неграмотность. Сейчас квтч (от создателей ас и пас) что показывает невнимательность, ибо отвечал я как раз на кВт/ч.
gnomeby
25.03.2017 07:53>> Теоретический предел эффективности работы кремниевых фотоэлементов составляет 29%
И тут же дан граффик, где эффективность в 44% достигнута. Как быть?
А вот эти ребята торгуют 40%-ми:
http://www.spectrolab.com/dataSheets.htm
Structure
25.03.2017 12:19-8Забавно, что столько бабла потратили на убогие панели в предыдущие 20 лет. А толку-то от них никакого.
Areso
25.03.2017 17:17+5Вы ошибаетесь. Поскольку другие читатели не посчитали нужным раскрыть вашу ошибку, я сделаю это за них: солнечные панели активно используются в космосе и на Земле. На Земле их используют по трем причинам: выгодно, экологично, модно. Выгодно их использовать там, где есть субсидии или высока цена подвоза топлива (к примеру, https://geektimes.ru/post/282950/ ). Кроме того, высока цена подвоза топлива и в некоторых других местах, например в Республике Алтай или где-нибудь в Якутии. Ну и наконец, среди образованных молодых людей модно выглядеть человеком, который заботится об окружающей среде, даже если нет жизненной необходимости (как на Самоа) или нет экономической эффективности (т.е. нет субсидий). Т.е. некоторые люди готовы переплатить определенный процент за потребленную электроэнергию, зная, что она была сгенерирована не путём сжигания ископаемого топлива.
gnomeby
25.03.2017 18:08+1И ещё автономия какая-никакая, не всегда доступен газ и не всегда удобно кочегарить печку.
Idot
25.03.2017 21:03+2Чабаны их используют размещая на крыше юрты. И это гораздо мобильнее по масс-габаритам, чем дизель-генератор с запасом топлива.
Structure
26.03.2017 11:49+1Ага, из воздуха получали панели. Нет же, сжигали ископаемое топливо для их производства.
Одно дело удаленные села, а другое — лепить кучу малоэффективных панелей в Германии.
С таким EROEI это и не панели, а солнечные батареи. Они лишь выдают ранее потраченную на них энергию. А для снижения выбросов нужно существенно уменьшить стоимость панелей.
И какой смысл в тиражировании убожества, которое лишь концентрирует выбросы в странах-производителях панелей?Areso
26.03.2017 12:33+1Ваши доводы понятны, но они устарели.
- Даже страны-производители, такие как Китай, семимильными шагами идут в сторону от сжигания угля для получения электроэнергии для своих заводов. Посмотрите в вики, если вы мне не верите. Смотреть List of countries by electricity production from renewable sources
- Опять же, если речь шла об старых панелях, я бы с вами согласился. Но речь идет о современных панелях. $100 за 100 Ваттную панель. Предположим, половина из $100 — это цена электроэнергии затраченной на её производство. Предположим, у китайцев электроэнергия идет по 7 центов за 1кВт. 700 кВт x ч. Каждый день эта панель будет производить 0,5 кВт*ч. Через 1400 солнечных дней она окупит электроэнергию, затраченную на её производство. Через 2800 дней она окупит свою покупку.
- Не всё производство панелей вредное. Есть разные технологии, с разной вредностью. Но даже предположим, мы купили самую вредную в производстве панель. Вы же покупаете вещи, которые содержат алюминий? Очень вредное производство. Вы летаете в самолетах? Титан, используемый в них, тоже получается в результате грязного весьма производства. И т.д. Увы, загрязнение неизбежно, если вы пользуетесь чем-то более современным, чем солома и глина. Но современные системы фильтрации могут уменьшить вред на 80-95%.
Structure
26.03.2017 13:30+11. Доля зелени в Китае очень маленькая. На порядки больше выиграли бы за счет повышения кпд тепловых электростанций.
2. Так я в начальном посте и писал про панели за прошлые годы. А ваши числа ничего не показывают, т.к. надо считать все вместе.
И где там Германия? Налепили убожества и сдулись
Areso
26.03.2017 13:38+2- Эта доля в Китае в ближайший год-другой будет больше, чем производство в России — всего.
- На старых панелях срок окупаемости больше (ниже эффективность панелей и выше их цена), но тоже далеко не бесконечность.
- В Германии где могли поставить, там поставили. Плюс там были дотации и прочие прикольные вещи, которыми делали установку более выгодной, а сейчас эти дотации существенно урезали. К тому же, у них теперь другая проблема — как свою энергосеть сделать устойчивой к перепадам генерации от возобновляемых источников. Как решат проблему — смогут наращивать и далее, но в меньшей степени, потому что большая часть дотаций досталась раннему большинству.
Structure
26.03.2017 14:33-11. В Норвегии 95% электроэнергии производится ГЭС. И чего только Германия не застроит все гидроэлектростанциями? Ах, да. Сравнивать нужно с умом.
2. Срок окупаемости не может быть бесконечность, ведь с возрастом они лучше не становятся. Может с учетом всех расходов старые панели убыточны для уже подключенных к энергосети.
3. Так я и говорю, что «зеленая» мафия выбила десятки миллиардов баксов на убожество. И зачем так спешили? Готовились к войне?
SpiritOfVox
26.03.2017 22:59Вот пример, люди живут вообще без коммуникаций. Солнечные батареи позволяют им обходиться без генератора и при этом не слишком ограничивать себя.
telobezumnoe
интересно, а несколько переходов и зон проводимости для разных фотонов могут повысить максимальный предел в 29 процентов?
lrsi
Они и повышают. Предел Шокли-Квиссера он для однослойных элементов. И он насколько я помню 34%, а не 29%.
Другой вопрос что наращивать число слоев неограничено — не получится.
egigd
Именно для кремния — 29%, т.к. он имеет далеко не оптимальную ширину перехода.