Как взять процент?

Земные зеленые растения и морские водоросли утилизируют примерно 3— 4% поступающей от Солнца энергии. Остальное теряется почти впустую, расходуясь на поддержание комфортного для жизни микроклимата в глубинах океана и на поверхности Земли. И если бы человек смог взять для своего внутреннего потребления хотя бы один процент (то есть 1 триллион тонн того самого условного топлива в год), то это бы решило многие проблемы на века вперед. И теоретически вполне понятно, как именно взять этот процент.

Все началось с Альберта Эйнштейна. Многие помнят, что этот ученый был удостоен в 1921 году Нобелевской премии. Но мало кто знает, что получил он ее не за создание теории относительности, а за объяснение законов внешнего фотоэффекта. Еще в 1905 году он опубликовал работу, в которой, опираясь на гипотезу Планка, описал как именно и в каких количествах кванты света «вышибают» из металла электроны.

Получить электрический ток с помощью фотоэффекта впервые удалось советским физикам в 30-е годы прошлого века. Произошло это в Физико-техническом институте , руководил которым знаменитый академик А.Ф. Иоффе . Правда, КПД тогдашних солнечных сернисто-талиевых элементов еле дотягивал до 1%, то есть в электричество обращался лишь 1% падавшей на элемент энергии, но задел был положен. В 1954 году американцы Пирсон, Фуллер и Чапин запатентовали первый элемент с приемлемым (порядка 6%) КПД. А с 1958 года кремниевые солнечные батареи стали основными источниками электричества на советских и американских космических аппаратах. К середине 70-х годов КПД солнечных элементов приблизился к 10-процентной отметке и... почти на два десятилетия замер на этом рубеже. Для космических кораблей этого вполне хватало, а для наземного использования производство весьма дорогих солнечных батарей (1 кг кремния необходимого качества стоил тогда до 100 долларов) по сравнению с сжиганием дешевой нефти выглядело непозволительной роскошью. Как следствие — большинство исследований по разработке новых технологий в области солнечной энергетики было свернуто, а финансирование оставшихся сильно сокращено.

В начале 90-х годов нынешний лауреат Нобелевской премии академик Жорес Алферов на собрании АН СССР заявил, что если бы на развитие альтернативной энергетики (а солнечная энергетика у нас считается одним из ее видов) было бы потрачено хотя бы 15% из тех средств, что мы вложили в энергетику атомную, то АЭС нам бы сейчас вообще были не нужны. Судя по тому, что даже на тех крохах, которые выделялись «на Солнце», удалось к середине 90-х поднять КПД солнечных элементов до 15, а к началу нового века — до 20%, утверждение академика недалеко от истины.

Особо чистые кварциты

В качестве материала для производства солнечных элементов сегодня используется кремний. Второй по распространенности на Земле, после кислорода, элемент. На кремний приходится более четверти общей массы земной коры. Минус в том, что встречается он в виде окиси — SiO2. Это тот самый песок, которым наполняют детские песочницы и используют при замешивании цементного раствора. Извлечь из него чистый кремний весьма сложно. Настолько сложно, что стоимость силициума (так химики называют кремний), в котором не более 1 грамма примесей на 10 килограммов продукта, сопоставима со стоимостью обогащенного урана, используемого на атомных электростанциях. Запасы кремния превышают запасы урана почти в 100 000 раз, однако хорошего «солнечного» вещества человечество добывает в шесть раз меньше, чем хорошего атомного урана.

Заметим, что извлечь из породы килограмм урана значительно сложнее, чем получить из кварцевого песка килограмм силициума. Поэтому грязный кремний, добываемый электродуговым способом и содержащий более 1% примесей, стоит чуть больше одного доллара за 1 кг и производится мегатоннами в год. Цена на природный уран на порядок выше. После обогащения, когда доля нужного 235-го изотопа повышается до 4,4%, стоимость урана подскакивает до 400 долларов за 1 кг и становится сопоставима с ценой того самого кремния, из которого делают микросхемы и солнечные элементы. Столь, в общем-то, невысокая стоимость ядерного топлива обусловлена и тем, что в создание технологий его добычи и обогащения за последние полстолетия были вложены огромные средства. Кремний же по сию пору в промышленности извлекают и очищают теми же способами, что и в конце 50-х годов прошлого века. А следствие несовершенства технологий — высокая стоимость продукта, большие энергозатраты, экологическая опасность и — низкий выход.

Из тонны кварцевого песка, в котором находится около 500 кг кремния, при самой распространенной на сегодняшний день технологии электродугового извлечения и хлорсилановой очистке получают 50—90 кг солнечного силициума. При этом на получение 1 кг расходуется столько энергии, что «киловаттный» чайник мог бы на ней непрерывно работать в течение 250 часов. Все это тем более странно оттого, что новые, гораздо более удачные технологии давно существуют. Еще в 1974 году немецкая фирма Siemens научилась получать чистый кремний с помощью карботермического цикла. Не будем вдаваться в подробности химического процесса, просто скажем, что в этом случае энергозатраты падают на порядок, а выход продукта увеличивается в 10—15 раз. Соответственно, и стоимость получаемого кремния падает до 5—15 долларов за килограмм.

Здесь-то и кроется особая выгода для России. Для немецкой технологии простой песок уже не подходит, тут нужны так называемые «особо чистые кварциты», самые крупные залежи которых находятся в нашей стране. Кроме того, по мнению тех же специалистов из Siemens, наши кварциты наиболее качественные и их запасов хватит на всех.

Электрический бутерброд

По строению солнечный элемент похож на бутерброд, состоящий из двух полупроводниковых пластинок. В наружной n-пластинке — переизбыток электронов. Во внутренней p-пластинке— их недостаток. Фотон, попадая в n-пластинку, пробуждает дремлющий в ней электрон примерно так же, как луч света, попадая на лицо, пробуждает спящего человека. Электрон переходит в p-пластину—это движение и создает электрический ток. Будущее солнечной энергетики эксперты связывают с совершенствованием материалов для этих двух слоев. Наиболее перспективными сегодня представляются аморфный и микрокристаллический кремний, который выведет создание солнечных элементов на принципиально иной уровень. Впрочем, кремниевые пластины как технология уже устаревают — из аморфного и микрокристаллического кремния можно выращивать очень тонкие пленки, толщина которых измеряется нанометрами. Две такие пленки, осажденные одна поверх другой на стекло, представляют собой фотогальванический элемент, обладающий высокой электрической проводимостью и сохраняющий свои свойства при длительном использовании. Однако технология, которая позволила бы выпускать такие солнечные элементы «на потоке», еще не создана. Как считают в Исследовательском центре города Юлих (Германия), им остался всего один шаг, чтобы вывести производство новых солнечных батарей из лабораторий в промышленность. Обычные солнечные элементы из кремния создают по отдельности и уже потом объединяют в батареи. В случае с тонкими пленками все наоборот: сначала выращивают пленку большой площади, накладывают ее на стекло вместе с другими необходимыми слоями, режут лазером на полоски и затем соединяют электрическими контактами. Ученым из Юлиха удалось отработать процесс массового получения модулей площадью 30x30 см с КПД, близким к 10%, а с такими параметрами уже можно ожидать покупателей на технологию. Сейчас промышленно выпускаемые солнечные элементы стоят примерно по 300 евро за 100 ватт электрической мощности. Тонкопленочная технология позволит через 5—10 лет снизить стоимость вдвое, а через 15 — втрое.

Татьяна Пичугина

Гигастанции будущего

Электричество относится к числу плохо запасаемых продуктов, поэтому производится его всегда практически столько же, сколько и потребляется. Общая мощность всех земных электростанций составляет примерно 2 000 ГВт. Один тераватт-год — это примерно 13% от всей потребляемой человечеством энергии. Для того чтобы получить этот тераватт от Солнца, стандартными кремниевыми панелями нужно «замостить» территорию в 40 000 км2. Это с учетом того, что работать станция будет только днем. Квадрат со стороной 200 км — примерно одна двухсотая часть пустыни Сахара. Задача, с которой современное человечество вполне может справиться.