Несколько слов об органической фотовольтаике. Часть 1

Ноябрь 21, 2013 / Яков Золотов, Специалист по солнечной энергетике

В июле текущего года в городе Эрич, который находится в Богом забытом уголке, на вершине горы, возвышающейся в западной части Сицилии, состоялась научная школа под названием Наноструктуры для оптики и фотоники». Один из участников данного мероприятия, профессор Ули Лемер, сотрудник Института Технологий Карлсруэ, предоставил на суд коллег доклад «Органическая фотовольтаика».

Несколько слов об органической фотовольтаике. Часть 1

Так какая же судьба ожидает органическую фотовольтаику?

Несколько месяцев назад в тематических журналах появилась полная пиетета статья на тему солнечных элементов Гратцеля, но в комментариях к ней можно было увидеть массу отрицательных отзывов, преисполненных форменного недоверия и скепсиса. Читатели не верят в то, что вложения в разработку подобного рода солнечных элементов являются оправданными. Главная мотивация оппонентов сводится к недостаточной эффективности подобных элементов по сравнению со ставшими уже традиционными кремниевыми.

Поэтому, опираясь на данные, которые опубликовал профессор Лемерр, хотелось бы более подробно поговорить об альтернативной фотовольтаике. Но прежде чем это сделать, необходимо окунуться в мир цифр, которые являются нормальными показателями для кремниевых батарей. Цель этой статьи – обзор рынка кремниевых солнечных элементов, который по состоянию на сегодняшний день уже успел в некоторой степени сформироваться.

В первую очередь нужно сделать две оговорки. Первое – KIT известен тем, что имеет собственные производственные линии, где обычно обкатываются новейшие технологии, поэтому мнение профессора можно считать авторитетным. Второе – ЕС занимается диверсификацией разработок, что, собственно, заложено в некоторых рамочных программах. Из этого можно сделать вывод, что если вам, например, удалось изобрести солнечную батарею, КПД которой составляет 5 %, у вас есть все шансы получить средства на дальнейшее проведение исследований, но только в том случае, если эти 5 процентов – не термодинамический теоретический предел.

Ну и напоследок: стоимость инвестиций в проект можно уменьшить одним из двух способов: повышением эффективности батарей либо снижением затрат на их производство.

Есть ли шансы у технологий, которые появились после открытия кристаллического кремния?

Итак, что представляет собой альтернативная фотовольтаика по сравнению с традиционной – классической? Либо как распределить по поколениям существующие на сегодняшний день солнечные элементы?

Солнечные элементы, в основе которых лежит кристаллический кремний, на сегодняшний день являются самыми древними. Первые разработки датированы концом 60-х годов прошлого века, на это время пришелся рассвет эры микропроцессорной техники.

Немного теории

Тонкопленочные солнечные элементы, к которым принадлежит аморфный кремний, кремниевые пленки, а также экологически небезопасные, но интенсивно выпускающиеся элементы, в основе которых лежит теллур и кадмий. Развивались они одновременно с кремниевыми, но барьер эффективности в 10 процентов перешагнули только в 80-90-х годах прошлого века.

Альтернативная фотовольтаика, включает в себя DSSC, основанные на полимерах и олигомерах гибкие органические батареи, тандемные солнечные элементы, солнечные элементы на основе наноразмерных частиц полупроводников, именуемых квантовыми точками.

001

Фотовольтаика (хоть и неполно, зато весьма наглядно).

Возникает вполне логичный вопрос: какова же роль альтернативной фотовольтаики? Как уже говорилось выше, необходимо помнить о двух параметрах: эффективности и стоимости производства. Это позволит удешевить электроэнергию, которая вырабатывается батареей в €/Вт. Как видно на графиках, которые мы приведем ниже, кристаллический кремний является самым перспективным элементом для солнечных батарей, причем, эффективность эта видна по всем параметрам. Особенно она заметна в долгосрочной перспективе, когда объем инвестиций может быть снижен до пятидесяти и более процентов. Но стоит отметить и тот факт, что получение высокочастотного, так называемого «солнечного» кремния влечет за собой серьезные экологические риски, которые являются серьезной проблемой для США и Европейского Союза.

002

Оценки объема инвестиций и эффективности для разных солнечных элементов в краткосрочной, среднесрочной и долгосрочной перспективах.

Безусловно, в наше время даже аморфный кремний, для производства которого не нужна «серьезная» химия, что положительно сказывается на стоимости материала, не столь эффективен, хотя по цене и сопоставим с кристаллическими эквивалентами. Поэтому вступить в конкурентную борьбу за сегмент рынка он не в состоянии. Но на диаграмме можно заметить один любопытный момент: изначальная инвестиционная стоимость некремниевых солнечных элементов в разы ниже, значит, и электроэнергия, полученная с их помощью, будет стоить дешевле. Это позволяет надеяться, что в скором будущем благодаря использованию таких процессов как roll-to-roll удастся значительно снизить издержки при изготовлении солнечных элементов. Но речь об этом пойдет во второй части данной статьи, которая будет посвящена альтернативам.

003

Поликристаллический кремний – нагладный пример солнечного элемента первого поколения.

Если речь идет о гибких солнечных элементах, а в группе альтернативных они занимают лидирующие позиции, то среди них существует несколько потенциальных областей использования, начиная с «умной» одежды, способной заряжать мобильник человека, и заканчивая навесами и тентами, которые на природе смогут вскипятить небольшой чайник воды.

004

Солнечные панели второго поколения.

Учитывая несколько специфические условия эксплуатации и желание ведущих изготовителей мобильной техники снизить до минимума толщину смартфона и какого-либо другого устройства, жертвуя при этом продолжительностью автономной работы, можно предположить, что данный элемент рынка «выстрелит» достаточно быстро.

Но давайте вернемся к традиционным, так сказать, классическим солнечным элементам.

Положение дел на современном рынке солнечной энергетики.

Ведя речь о точных цифрах для солнечных панелей первого поколения, их можно увидеть на простом и понятном рисунке:

005

Номинальные особенности традиционных солнечных элементов.

Как правило, стоимость модуля на на 54 Вт в большинстве случаев не превышает шестидесяти евро, тогда как один киловатт-час стоит потребителю не более пятидесяти центов. Сроки эксплуатации впечатляют: от 25-ти до 30-ти лет, если не было ничего экстраординарного типа потопа, сильных морозов, ураганов и прочих стихийных бедствий. По завершению эксплуатационного периода такие панели подлежат демонтажу, из них можно изготовить новые, вполне работоспособные агрегаты.

Далее немножко статистики. Естественно, доля моно- и поликристаллических батарей в общей сложности занимает не менее 90 процентов рынка, но учитывая тот факт, как с начала девяностых годов увеличилась доля батарей CdTe, как постепенно начали появляться новые технологии, те же альтернативные разновидности фотовольтаики, например, вырисовываются неплохие перспективы отрасли. И все это – не во время экономического роста, а в кризисный период, когда в развитых странах Европы и в США все еще длится рецессия.

006

Части рынка солнечной энергетики для разных разновидностей батарей.

Давайте, сравним с данными, которые опубликованы в Wiki.

007

Что где выпускают и устанавливают?

Нет ничего удивительного в том, что львиная доля производства солнечных элементов приходится на Поднебесную. По состоянию на 2011-й год на большинстве выпущенных модулей стоит надпись Made in China.

008

Годовой выпуск первого поколения солнечных элементов.

Интересен факт, что основным потребителей данной продукции являются европейские государства, бесспорным лидером среди которых по праву можно считать Германию, вслед за которой энергию Солнца пытается освоить Италия. Стоит отметить, что климат последней этому более чем способствует. А вот на Сицилии предпочтение отдали ветрякам.

Доля Испании, климат которой способствует стремительному развитию солнечной энергетики, практически не увеличивает количество установленных солнечных элементов, начиная с 2008-го года, тогда как Китай за аналогичный период значительно увеличил данный показатель.

009

Общая установленная мощность солнечных элементов, принадлежащих к первому поколению.

Так как Германия считается самым значимым потребителем альтернативных источников энергии во всем Евросоюзе, можно произвести оценку снижения цен на модули в течение последних семи лет. Если средняя стоимость устанавливаемой на крышу системы в розницу составляла около 5100 евро за один кВт пиковой мощности, во втором квартале текущего года она снизилась до 1700 евро, а это более чем в три раза и всего за семь лет. Весьма неплохой результат…

Также следует обратить внимание на последний квартал 2008-го года. В это время кризис в США в самом разгаре, во многих странах ЕС закрываются банки, поэтому теоретически цены должны были остаться на уровне Q4 2008. Но получилось наоборот: спустя всего год после начала кризиса стоимость упала на 30 процентов и составила меньше трех тысяч евро за кВт.

010

Цена одного киловатта пиковой мощности в евро на протяжении последних семи лет. Примечание: НДС не учитывается, так как он может быть различным в зависимости от той или иной федеративной земли Германии.

В заключении представим расчет стоимости энергии, которая вырабатывалась солнечными элементами на основе кремния. Если учесть приведенную выше сумму за одну солнечную панель, посчитать, что срок эксплуатации панели составляет 20 лет, затраты на нее достигают 5-ти процентов в год, то выйдет такое распределение цены электрической энергии в центах за киловатт-час:

011

Цена электроэнергии, которая вырабатывается одной солнечной панелью в центах за киловатт-час. По горизонтали – средняя степень освещения в местности, по вертикали – рыночная цена панели в долларах за один киловатт-час при пиковой мощности.

Промежуточное заключение

Каков же итог? По состоянию на сегодняшний день рынок «классической» кремниевой энергетики полностью сформирован, доля кристаллического кремния на нем составляет 90 процентов. Основных игроков данного рынка потеснить будет непросто, так как речь идет о Китае, ЕС, Соединенных Штатах Америки и Японии.

Так почему же многие страны так упорно донатят программы по развитию солнечной энергетики? Причина проста: чтобы как можно лучше диверсифицировать энергопотребительскую структуру, развивать современные технологии и снижать зависимость экспорта из других государств.

Как в таких условиях лучше развиваться альтернативным разновидностям солнечных элементов? Найдется ли для них место рядом с поликристаллическим кремнием? Речь об этом пойдет в следующей части статьи, где мы постараемся рассмотреть разрабатываемые в настоящий момент технологии.

Это интересно ...

Последние новости и статьи:



Оставить комментарий