Одной из перспективных технологий в области солнечной энергетики является изобретение фотоэлектрических станций с солнечными элементами, изготовленными на основе кремния. Они преобразуют в электроэнергию рассеянную и прямую компоненты солнечной радиации с КПД 12-15%. Образцы в лабораториях характеризуются КПД 23%. Производство солнечных элементов в мире составляет более 50 МВт в год и ежегодно повышается на 30%.

Сегодняшний уровень производства солнечных элементов совпадает с начальной фазой их применения для освещения, телекоммуникационных станций, подъема воды, питания бытовых электроприборов в отдаленных районах, а также в транспортных средствах. Солнечные элементы стоят около 4,5-5 долларов/Вт при стоимости электрической энергии 0,25-0,56 долларов/кВт.ч. Системы солнечной энергетики заменяют свечи, керосиновые лампы, аккумуляторы и сухие элементы, а при большом удалении от энергетической системы и малой нагрузке мощности – линии электропередач и дизельные электрогенераторы.

В США действует несколько фотоэлектрических экспериментальных станций мощностью 0,3-6,5 МВт, работающих на энергетическую систему. Вторая фаза массового выпуска и применения СЭС в энергосистеме связана с появлением материалов и технологий, позволяющих уменьшить стоимость установленной мощности в 5 раз, до 1-2 долларов/кВт.ч. Для такого снижения стоимости принципиальным ограничением является дорогая цена кремния солнечного уровня – 40-100 долларов/кг. Поэтому разработка новых технологий выработки кремния, которые позволяют радикально – на порядок – уменьшить его стоимость, является первостепенной задачей в списке альтернативных технологий в солнечной энергетике. Положение с солнечным кремнием аналогично положению с алюминием, когда он был только открыт в 1825 году, в те годы он по стоимости приравнивался к серебру и применялся только для украшений. Лишь после появления технологии электролиза в 1886 году алюминий подешевел и стал доступным материалом.

В земной коре содержание кремния составляет 29,5% (8¹⁰ т), что выше содержания алюминия в 3,35 раза. В недрах Земли содержится кремния 15,2% по массе, что равносильно фантастической массе 9,08¹⁰ т. Солнечный кремний с чистотой 99,9% по стоимости аналогичен урану для АЭС, хотя в земной коре содержание кремния больше содержания урана в 100000 раз.

Достоверные мировые запасы урана примерно 2763000 т. Топливный цикл урана, в том числе производство гексафторида урана, намного сложнее и опаснее хлорсиланового метода выработки солнечного кремния для солнечной энергетики. Учитывая малое содержание и рассеянность урана в недрах Земли в сравнении с кремнием, кажется странным, почему урановое топливо для ядерной энергетики и кремний для солнечной энергетики имеет равносильную стоимость. Есть несколько причин для объяснения данной ситуации. В развитие технологии производства урана были вложены огромные средства, которые выделялись, как правило, по военным программам, и производственные объемы урана превышают производственные объемы солнечного кремния в 6 раз.

Хлорсилановая технология получения солнечного кремния для солнечной энергетики, разработанная более 35 лет назад, почти не изменилась до настоящего времени, сохранив все отрицательные свойства химических технологий 50-х годов: низкий выход кремния, высокая энергоемкость, экологическая опасность.

Ключевой материал для выработки кремния – кремнезем в виде кварцевого песка или кварцита, составляет 12% от массы литосферы. Связь Si-0 обладает большой энергией – 464 кДж/моль, что обуславливает большие расходы энергии на процесс восстановления кремния и дальнейшую очистку его химическими методами – 250 кВт.ч/кг, а на выходе кремний составляет 6-10%.

В Германии, СССР, США и Норвегии с 1970 года проводились исследования по разработке технологий получения кремния, исключающие хлорсилановый цикл. После исследований в течение двух лет, в СССР данные работы исключили из национальной программы.

В 1974 году компания «Сименс» (Германия) и в 1985 году организации «Элкем» (Норвегия), «Эксон» и «Дау Корнинг» (США) сообщили о разработке технологии получения солнечного кремния для солнечной энергетики карботермическим восстановлением кварцитов особой чистоты с КПД солнечных элементов в 10,8-11,8%.

Японские компании в 1988 году заявили о разработке солнечной технологии.

КПД элементов на базе солнечного кремния уже к 1990 году составил 14,2%, из хлорсиланового же кремния он был равен 14,7%. Технология компании «Сименс» подразумевала применение особо чистых кварцитов, где содержание примесей составляло 20.10 по массе. Совместными исследованиями с компанией «Сименс» было доказано, что качество российских кварцитов является самым высоким в мире, а запасов достаточно для производства солнечных фотоэлектрических станций, мощность которых будет превышать 1000 ГВт.

Новая технология получения кремния нужного для солнечной энергетики качества с помощью метода прямого восстановления из чистых природных кварцитов имеет следующие свойства: расход электричества 15-30 кВт.ч/кг, цена кремния составляет 5-15 долларов/кг, выход кремния 8-85%. При использовании данной технологии в крупных масштабах стоимость солнечных модулей и элементов составит 1,0-2,0 долларов/Ватт и 0,7-1,4 долларов/Вт соответственно, а стоимость электрической энергии – 0,10-0,12 долларов/кВт.ч. В изобретенной технологии химические методы заменены на экологические электрофизические методы.

Сегодня в России действуют восемь компаний, имеющие технологии и достаточные мощности на производстве для выпуска 2 МВт солнечных модулей и элементов в год.

На заводах объединения «Интеграл» (г. Минск) запущено массовое изготовление солнечных элементов по новой технологии, соответствующей программе «Экологически чистая энергетика». Производственные мощности данных заводов позволяют ежегодно выпускать 1-2 МВт солнечных модулей и элементов, не перестраивая основного производства.

Для повышения качества и объемов производства необходима инвестиционная государственная поддержка новых технологий в области солнечной энергетики, в основном технологии производства солнечного кремния. Скромные финансовые средства, предоставленные Министерством топлива и энергетики, следует расходовать не на проекты для демонстрации, а на создание производственных мощностей.