Солнечные батареи не зря считают одним из магистральных направлений энергетики будущего. И вполне понятно желание многих мировых держав стать лидерами в этой перспективной области. Одним из основных направлений «гонки технологий» стало повышение эффективности солнечных батарей, а главным «полигоном» – космическое пространство. Радует то, что из этой «гонки» не выпала российская наука, скорее – наоборот, наши ученые оказались в числе ее лидеров. О том, как обстоят дела с солнечными батареями в отечественной космонавтике, и как это может сказаться на повседневной жизни – рассказывает заместитель директора Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова (СО РАН, Новосибирск), профессор Олег Пчеляков.
Наша справка
Обычно под термином солнечная батарея подразумевается панель фотоэлектрических преобразователей (ФЭП). Целью солнечных батарей является прямое преобразование солнечного излучения в электроэнергию.
Конструктивно фотоэлемент состоит из двух слоёв кремния. При этом верхний слой характеризуется переизбытком электронов (область электронов), а нижняя – их нехваткой («дырочная область»). В результате, на границе этих пластин возникает так называемый p-n переход. При попадании на фотоэлемент солнечных лучей (фотонов) происходит дополнительная генерация электронов и оба слоя взаимодействуют как электроды обыкновенной батареи. Для снятия электрической энергии на обе поверхности напаивают тонкие слои проводника и подключают к нагрузке. Солнечный луч возбуждает электроны, которые начинают перемещаться из одного слоя в другой через внешнюю цепь, питая любой потребитель энергии. Выработка этой энергии не связана с химическими реакциями, поэтому такая солнечная батарея может прослужить довольно долгий срок.
- Олег Петрович, насколько я понимаю – один из главных показателей прогресса в этой области: КПД батареи. Как с этим обстоят дела у нас и в мире?
- В России лидер в этой области НПП «Квант». Там отработана технология, которая позволяет изготавливать ФЭП с КПД порядка 26%, что соответствует зарубежным аналогам, поступающим сегодня на рынок. Эти ФЭП используются для оснащения солнечных батарей космических аппаратов. Однако у нас в стране отсутствует промышленная технология ФЭП, которая удовлетворяла бы все потребности отрасли и, мы вынуждены покупать импортные ФЭП. Сегодня 80% наших батарей состоит из покупных комплектующих изделий (гетероструктур) иностранного производства. А это означает, что, во-первых, наша космическая (и не только космическая) отрасль будет зависеть от иностранных поставщиков. И, во-вторых, мы всегда будем немного отставать от мировых лидеров. Сегодня технологический уровень разработок определяет главный производитель гетероструктур для ФЭП – США. Ныне действующий мировой рекорд по эффективности солнечных батарей достигнут находящейся в Кремниевой долине фирмой Solar Junction. По данным печати, там проводятся интенсивные работы по доведению КДП до 40-45%, а в перспективе и до 50%. Они впереди несмотря на то, что исследования, которые легли в основу технологии гетероэпитаксии, проводил наш академик Жорес Алферов (именно за их результаты он удостоен Нобелевской премии).
Наша справка
Эпитаксия – метод создания многослойного кристаллического материала, где каждый новый слой повторяет по своей структуре предыдущий. Когда материал нового слоя отличается от материала подложки – это называют гетероэпитаксией. Структуры, полученные методом гетероэпитаксии (гетероструктуры), сегодня являются основой не только для ФЭП, но и для большинства фотоприемников, СВЧ приборов и т.п.
- Получается, мы как тот сапожник без сапог?
- Не совсем. Мы умеем выращивать гетероструктуры в научных лабораториях. Причем, разными способами. Исследователи Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН развивают газофазную эпитаксию, а наш Институт физики полупроводников – молекулярно-лучевую. То есть, оба основных направления этой технологии нам хорошо известны. Но мало разработать технологию, ее надо внедрить, организовать промышленное производство. А это требует немалых средств, которыми не располагают ни научные институты, ни «Квант».
- Есть основания ждать помощи от государства?
- Конечно, есть. Речь идет о независимости нашей экономики, ее стратегически важных отраслей. И со стороны государства мы увидели понимание этого. Несколько недель назад было принято решение о создании специальной технологической платформы для решения этой задачи. А это означает серьезное финансирование.
- С заказчиком понятно – это руководство страны. А кто будет в числе исполнителей?
- Научную часть берут на себя наш институт, ФТИ и Санкт-Петербургский академический университет, возглавляемый Алферовым. Основное производство развернут на базе «Кванта». Кроме того, значительную часть работ по отработке технологии берет на себя Красноярский научный центр СО РАН. Там же организуют подготовку инженерно-технических кадров для новых производств. Хочу отметить, что Красноярский край попал в эту программу не случайно. Там располагается ОАО «Информационные спутниковые системы им академика М.Ф. Решетнева» – главный потенциальный пользователь технологии и производитель спутников навигации, связи и т.п.
Наша справка
ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнёва» – одно из ведущих предприятий российской космической отрасли. За время своей деятельности предприятие принимало участие в реализации более чем 30 космических программ в областях связи, ретрансляции телевидения, навигации, геодезии и научных исследований. Было спроектировано, изготовлено и запущено порядка 50 различных типов космических аппаратов.
- И как скоро можно ожидать результатов вашей работы?
- Принятая программа рассчитана на срок до 2017 года. А насколько удастся в него уложиться – зависит, прежде всего, от финансирования. В случае если оно будет производиться с нарушением сроков и объемов, мы получаем риск разбалансированности проекта, срыва отдельных этапов работ. И, как следствие – его удорожания и затягивания. Но, хочется верить, этого не произойдет.
- Эта технология пригодна только для космической отрасли или у нее есть и «наземные» перспективы?
- Есть, и еще какие. Она – отличное решение для мобильных систем будущего: автомобилей, кораблей, самолетов. Более того, транспортные средства на солнечных батареях работают уже сегодня. К сожалению, не в России, хотя наш «Квант» и может делать такие батареи. В США запустили самолет на солнечных батареях, который совершил кругосветное путешествие. Сейчас наступает эра беспилотных летательных аппаратов. А если снабдить их солнечными батареями, они станут практически беспосадочным. Такие аппараты могут использоваться, прежде всего, для мониторинга поверхности и воздушного пространства нашей планеты. Конечно, сегодня солнечные батареи производят лишь 2% всей электроэнергии в мире. Связано это с тем, что энергия от солнца получается в два раза дороже, чем «из розетки», полученная от сжигания углеводородов. Но уже сейчас технологии, которыми обладают предприятия космической отрасли, позволяют снизить себестоимость 1 КВт до 1$. А когда цена снизится еще немного – мы станем свидетелями настоящего взлета солнечной энергетики. Но начало его – в космических технологиях. Наша страна традиционно считается одним из лидеров в этой области. Важно сохранить этот статус. Одним из шагов на этом пути и должна стать создаваемая нами технологическая платформа.
Георгий Батухтин
- Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии