Повышение КПД солнечных элементов и уменьшении их себестоимости – главные задачи, которые решают разработчики и производители солнечных батарей во всем мире. Такие задачи ставит перед собой и научный коллектив лаборатории фотоэлектрических преобразователей из Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе (ФТИ) под руководством Вячеслава Андреева. КПД их наногетероструктурных каскадных фотопреобразователей, разработанных сотрудниками института, составляет 36 процентов, что в два-три раза выше, чем у батарей, созданных на основе кремния.

Солнечные батареи становятся всё более популярными в быту, а фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии сегодня представляется одной из наиболее перспективных отраслей возобновляемой энергетики. Разработанные в середине прошлого века американскими учёными Г. Пирсоном, К. Фуллером и Д. Чапиным солнечные батареи изначально нашли широкое применение в космических аппаратах, а в настоящее время активно используются в бытовых целях.

Например, только в Германии в 2009–2010 годы суммарная мощность установленных бытовых солнечных батарей составила 11 ГВт.

Однако они всё ещё малодоступны по причине высокой стоимости: базовый элемент такой батареи – дорогой монокристаллический кремний, из-за чего цена киловатт-часа такой электроэнергии выше, чем полученной из других источников. Решение проблемы – в повышении КПД солнечных элементов и в уменьшении их себестоимости.

Такие задачи ставит перед собой научный коллектив лаборатории фотоэлектрических преобразователей из Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе (ФТИ) под руководством Вячеслава Андреева. Проекты «Фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии» и «Разработка и создание автономных солнечных установок энергоснабжения с расщеплением солнечного спектра, слежением за солнцем и аккумулированием энергии» этих исследователей поддержаны в рамках ФЦП «Исследования и разработки», а тема «Разработка гетероструктурных солнечных элементов и фотоэлектрических установок» – ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России».

Справка NNN: Андреев Вячеслав Михайлович, заведующий лабораторией фотоэлектрических преобразователей, лауреат премии им. А. С. Попова правительства СПб и СПб НЦ РАН за 2007 год, доктор технических наук, профессор. Известный специалист в области солнечной фотоэнергетики, автор более 160 научных статей и двух монографий. Лауреат Ленинской и Государственной премий. Профессор кафедры оптоэлектроники Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета. В настоящее время занимается разработками высокоэффективных каскадных солнечных элементов на основе гетероструктур и фотопреобразователей концентрированного солнечного излучения (по материалам strf.ru).

КПД наногетероструктурных каскадных фотопреобразователей, разработанных сотрудниками института, составляет 36 процентов, что в два-три раза выше, чем у батарей, созданных на основе кремния.

Увеличение КПД в таких фотопреобразователях достигается за счёт разделения солнечного света на несколько интервалов по спектру и более эффективного преобразования энергии фотонов в каждом из них.

Трёхкаскадные фотопреобразователи состоят из трёх фотоактивных областей, составленных из трёх полупроводниковых пластин на основе сплавов химических элементов – GaInP, Ga(In)As и Ge. В этих полупроводниках в энергию преобразуются, соответственно, коротковолновая, средневолновая и инфракрасная части спектра.

При большем количестве каскадов возможно увеличение КПД с 36 до 45–50 процентов, однако производство таких многокаскадных элементов намного сложнее.

Модули солнечных батарей, разработанные учёными из ФТИ, состоят из описанных выше фотопреобразователей, которые расположены на теплоотводящих подложках на фокусном расстоянии от мини-линз, обеспечивающих тысячекратную концентрацию солнечного излучения. Такая технология позволяет снизить не только площадь активной поверхности солнечных батарей, но и их стоимость.

В разработанных учёными батареях модули расположены ступенчато, на электронно-механической системе слежения, оснащённой датчиком положения солнца. Это позволяет обеспечить их постоянную ориентацию на солнце и лучший сбор солнечных лучей в сравнении с неподвижными батареями, снизить ветровые нагрузки. На собственное энергообеспечение установка расходует всего 0,1 процента от генерируемой энергии.

Для сравнения: по расчётам учёных, килограмм полупроводников, используемых при создании солнечной батареи, за 25 лет выработает столько же энергии, сколько можно получить при использовании пяти тысяч тонн нефти. Это позволит снизить стоимость одного ватта мощности этих энергоустановок до двух долларов, что в 1,5 раза ниже существующих мировых цен.

Проект по организации производства таких энергоустановок был представлен в ГК «Роснанотех», прошёл все экспертизы и был одобрен наблюдательным советом. При поддержке «Роснано» в Ставрополе будет налажено производство солнечных установок, изобретённых в ФТИ.