О создании фотоэлектрических преобразователей солнечного излучения, о преимуществах и недостатках использования солнечных батарей и перспективах развития солнечной энергетики в России и в мире мы беседовали с российским физиком, специалистом в области возобновляемой солнечной энергетики, членом-корреспондентом РАН Вячеславом Михайловичем Андреевым.

- Вячеслав Михайлович, сегодня солнечно, и мы могли бы использовать солнечную энергию для повседневных вещей, скажем, для того, чтобы сварить кофе. В некоторых странах, насколько мне известно, солнечные батареи уже успешно используются. В чем преимущество солнечной энергии?

- Солнечная энергия доступна человечеству в любой точке земного шара. Она не зависит от крупных производителей электроэнергии или от доступности источников этой энергии − она равномерно распределена среди всех потребителей. Поэтому, если мы научимся эффективно преобразовывать солнечную энергию в электроэнергию, мы решим все проблемы человечества в области энергетики. Не нужен будет ни уголь, ни газ, ни нефть – все потребности будут обеспечены солнечной энергией.

И это перспективы ближайшего будущего. В настоящее время во многих странах экваториального пояса солнечная электроэнергия сравнивается по стоимости с сетевой электроэнергией. В таких странах как Индия, Чили, где интенсивность инсоляции относительно высока, а трудозатраты на изготовление солнечных батарей довольно низки, стоимость солнечной электроэнергии за киловатт-час сравнивается с сетевой электроэнергией.

- Насколько мне известно, одна из трудностей в использовании солнечных батарей связана с неравномерным поступлением солнечной энергии. Оно зависит от времени суток или погоды. Поэтому приходится применять мощные аккумуляторы. С какими еще трудностями нужно бороться при использовании солнечной энергии?

- Вы правы – имеется неравномерность поступления – территориальная и временная. Но при этом, большая часть солнечной электроэнергии используется вместе с сетевой в дневное время. Аккумуляторы не требуются, потому что сама сеть является аккумулятором для солнечной электроэнергии.

Но солнечные батареи применяются также в качестве автономных источников. В нашей стране часть населения, например на юге Сибири, обеспечивают свои потребности в электроэнергии с помощью дизельных генераторов. Но это совсем недешево, поэтому использование солнечных батарей и литий-ионных аккумуляторов оправданно в таких регионах.

- Раньше солнечные батареи стоили намного дороже из-за большой стоимости кремния. В ФТИ разрабатывали фотопреобразователи, которые сделали технологию дешевой. В чем особенность батарей, созданных в ФТИ?

Солнечная фотоэлектрическая установка мощностью 1 кВт на основе 18 модулей с системой слежения за Солнцем. Источник: ФТИ им. А.Ф. Иоффе

- У нас в физтехе несколько лабораторий занимаются вопросами преобразования солнечной энергии – лаборатория Евгения Терукова, разрабатывающая кремниевые батареи, и наша лаборатория, которая занимается более сложными материалами – полупроводниковыми соединениями А₃В₅ – арсенида галлия. У лабораторий разные сферы ответственности в области солнечной энергетики. Наши материалы оказываются незаменимыми для питания космических аппаратов, поскольку они обеспечивают КПД почти в два раза выше, чем при использовании кремниевых солнечных батарей.

На Земле же наряду с величиной КПД важна также стоимость самой батареи. В настоящее время кремниевые батареи значительно дешевле, чем наши. Поэтому лаборатория Терукова достигла больших успехов в этой области благодаря совершенствованию технологий. Была создана компания «Хевел» (с чувашского означает «Солнце» – прим. «Научной России») в Новочебоксарске, которая использовала разработанные технологии кремниевых батарей.

Наша лаборатория разрабатывает каскадные солнечные батареи в основном для космоса. А для наземки – это мы так называем наземную энергетику – были созданы системы с концентрированием солнечного излучения. Эти системы позволяют уменьшить площадь солнечного элемента почти в 1000 раз. Тем самым стоимость модулей оказывается сравнимой со стоимостью кремниевых модулей. Однако пока эти разработки для наземной энергетики в производство не пошли – идет стадия отработки технологий и систем.

- В чем преимущества фотопреобразователей, созданных в ФТИ?

- КПД каскадных фотопреобразователей составляет более 40% за счет того, что 3 полупроводника оптимально «настроены» на 3 солнечных диапазона. Нижняя область фотопреобразователя выполнена из германиевого материала, который хорошо преобразовывает длинноволновое излучение. Средняя область выполнена из арсенида галлия и преобразует ближнюю инфракрасную и красную часть спектра. А верхняя область структуры преобразует коротковолновую часть излучения – желтую, зеленую, синюю и фиолетовую – с помощью сложных полупроводников – на основе галлия, индия, фосфора и алюминия.

В кремниевых солнечных батареях используется один активный материал, который эффективно преобразует только часть солнечного излучения. Поэтому их КПД порядка 20%, тогда как у каскадных элементов 40%.

- Возвращаясь к космическим системам, хотелось бы отметить – любой космический полет был бы невозможен без решения проблемы энергообеспечения. И в космосе как нигде успешнее работают солнечные батареи. Одна из батарей, созданная с использованием разработок ФТИ, была установлена на базовом модуле станции МИР. Расскажите, как удалось реализовать этот проект?

Орбитальная космическая станция «Мир», 1986 год. Источник: ТАСС

- В начале 80-х годов выяснилось, что базовый модуль станции МИР будет потреблять больше электроэнергии, чем было запланировано ранее. Оказалось, что обычные кремниевые батареи, которые ставились на космические аппараты с конца 50-х годов, не обеспечивают нужного количества электроэнергии.

К моменту работы над модулем станции МИР на предприятии НПО «КВАНТ» в Москве по нашей технологии было организовано производство гетероструктурных солнечных элементов на основе арсенида галлия с КПД выше, чем у кремниевых батарей. Эта система могла решить проблему электрообеспечения на базовом модуле станции МИР. За год была создана батарея размером в 70 квадратных метров – в то время она была самой большой батареей в мире на гетеропереходах. Все 15 лет работы станции МИР батарея работала исправно без существенной деградации. Ее элементы более устойчивы к радиации.

- Чем вы занимаетесь сегодня – улучшаете технологии или работаете с существующими?

- Безусловно, нам интересно улучшение. Кроме технологически новых подходов мы применяем новые физические принципы для работы солнечных батарей, например, квантоворазмерные структуры, где толщина слоев составляет от 100 до 200 нанометров.

Над этим мы как раз и работаем – увеличение КПД и снижение стоимости, которое упирается в основном в оборудование. Оборудование должно быть производительным и полуавтоматическим. Тогда стоимость всех систем будет ниже. Но с этим у нас большие сложности, поскольку требуется обновление оборудования.

- Будем надеяться, что ситуация улучшится. На мой взгляд, это станет настоящим прорывом, если люди, использующие сегодня традиционные источники энергии, смогут позволить себе установку солнечных батарей.

- Конечно, эта работа имеет социальное значение. Но здесь, прежде всего, должна быть поддержка государства. В передовых странах мира все начиналось с серьезной государственной поддержки в области солнечной электроэнергетики, которая со временем стала самодостаточной областью. Она успешно конкурирует по стоимости с сетевой электроэнергией, но пока в странах экваториального пояса, где использование солнечных установок позволит в ближайшее время выйти на паритет со стоимостью сетевой электроэнергии.

За последние несколько лет мощный рынок открылся в Китае, поскольку в стране была мощная государственная поддержка в области солнечной энергетики. Китай больше всех выпускает солнечных батарей и около половины устанавливает у себя же.

- В вопросах энергетики многие обеспокоены по поводу двух вещей – истощения запасов природных источников энергии – угля и газа с одной стороны, и загрязнения окружающей среды как следствие использования традиционных видов энергии. Получается, что солнечная энергия решит сразу обе эти проблемы?

- С истощением не так всё критично и драматично. Запасов природных источников энергии хватит еще на несколько десятков лет. А по поводу загрязнения, да, солнечная энергия – это настоящая зеленая энергетика.

-Она эффективнее, чем ветряная?

- Их лучше сравнивать по областям использования. Солнечная батарея проста в использовании. Маленькую батарею можно применять для питания радиоприемника или телевизора, большую батарею можно установить на крышу или бросить на землю. А ветряк – это серьезное инженерное сооружение. Его установка и обслуживание − это не совсем дружественная система для человека. Мы же стараемся сделать солнечные батареи такими, чтобы один человек мог справиться с их установкой без использования техники, больших подъемных кранов, чтобы эта технология была действительно дружественна для человека. Тогда ее можно считать по-настоящему зеленой.

- Как Вы считаете, когда такие технологии станут доступны обычным людям, и вообще нужна ли такая энергия индивидуальному пользователю?

- Это безальтернативное решение проблемы. В Германии, Италии, Испании установлены тысячи солнечных крыш. Это популярное направление, и почти каждый такой домовладелец обеспечивает себя солнечной электроэнергией. В нашей стране запоздал закон, поддерживающий возобновляемую энергетику. В Германии подобный закон был принят в начале 2000 годов. У нас в стране – в начале 10-х годов.

Конечно, значительная часть нашей страны находится в широтах, где использование солнечных батарей неэффективно. К примеру, в московском регионе солнечная электроэнергия будет в полтора раза дороже, чем на Юге страны. В России есть регионы, где поступление солнечной энергии сравнимо с Испанией, Италией и югом Германии – это граница с Казахстаном, Алтай, Забайкалье. Но проблема в том, что государственная поддержка запоздала лет на 10, что привело также и к технологическому отставанию. А ведь технология развивается, когда есть потребитель.

Инсоляция российских регионов. Источник: Группа компаний «Хевел»

- Мне кажется, технологии, разработанные в ФТИ, должны быть востребованы на мировом рынке, ведь они уменьшают размеры солнечных установок.

- Здесь очень важна стоимость конечного продукта. Кремниевые технологии успешно используются, поскольку они вышли на уровень единичного производства порядка одного гигаватта. Наша технология – это хорошая разработка, но о массовом производстве пока не говорится. Нужны инвесторы – энтузиасты, которые вложат средства в создание мощного производства.

- То есть нужно привлекать бизнес?

- Чем мы и занимаемся последние 10 лет. В одно время нас поддерживал РОСНАНО. Был проект, подписанный наблюдательным советом РОСНАНО, но частные инвесторы так и не рискнули вложить в него деньги. При подписании проекта инвестор присутствовал, но вскоре, когда начался этап реализации, он испугался.

-Чего испугался?

- Потерять деньги. Это рисковый бизнес. Никто с ходу не может дать гарантий, что вложения окупятся. Поэтому необходима поддержка государства, о которой я говорил.

- Будем надеяться, что технологии смогут попасть на мировой рынок и ситуация улучшится.

- Для нас это хороший объект для исследования – здесь можно много всего «наоткрывать», и есть над чем поработать. Но очень хочется, чтобы внедрение солнечных батарей вышло на уровень массового производства.