Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 

Об органической фотовольтаике замолвите слово. Часть 1

Ключевые слова:  органическая фотовольтаика, периодика

Автор(ы): Смирнов Евгений Алексеевич

Опубликовал(а):  Гольдт Илья

22 ноября 2013

В середине июля 2013 года в славном городе Эриче, что расположен в дали от цивилизации на горе на западе Сицилии, проходила прелюбопытнейшая научная школа «Наноструктуры для оптики и фотоники» (или Nano-Structures for Optics and Photonics). Один из докладов по счастливому стечению обстоятельств оказался «Органическая фотовольтаика» (Organic photovotaic), представленный профессором Ули Лемерром (Uli Lemmer) из Института Технологий Карлсруэ (Karlsruhe Institute of Technology – KIT).


Итак, быть или не быть «альтернативной» фотовольтаике?

Введение


Пару месяцев назад была опубликована исполненная пиетета статья о солнечных элементах Гратцеля, но в комментариях встретил закономерное недоверие и скепсис по поводу оправданности вложений в такие солнечные элементы. Основная мотивация оппонентов – недостаточная производительность или эффективность таких элементов по сравнению с кремниевыми, мол, EROI совсем плох. Хотя некоторые оценки собраны и представлены в Wiki, но это как средняя температура по больнице. А по сему, опираясь на данные представленные профессором Лемерром, я хотел бы рассказать чуть более подробно о «альтернативной» или – если угодно – не кремниевой фотовольтаике, но сначала всё же придётся окунуться в мир цифр для нормальных кремниевых батарей, чтобы понимать, к чему стремиться. И эта статья имеет своей целью некоторый обзор уже сформировавшегося рынка кремниевых солнечных элементов.

Сразу хочу сделать две немаловажные оговорки. Во-первых, KIT славится тем, что имеет фактически свои производственные линии, на которых зачастую обкатываются технологии и мнение вышеупомянутого профессора, я полагаю, таки авторитетно. Во-вторых, ЕС диверсифицирует разработки, и это заложено во многих рамочных программах. Что же это значит? А значит это, что если даже вы разработали солнечную батарейку с КПД 5%, вы сможете получить финансирование на продолжение исследований, если, конечно, 5% не являются теоретическим (термодинамическим) пределом.

И последнее, я буду всё время это упоминать, так или иначе, по ходу повествования: стоимость инвестиций (Investment costs) в €/Вт, которая может быть уменьшена двумя способами – снижением стоимости производства или увеличением эффективности солнечных батарей.

Есть ли свет после кристаллического кремния?


Полагаю, что один из самых взвешенных обзоров на Хабре был подготовлен BarsMonster, поэтому долго на это теме останавливаться не будем.

Итак, что же такое «альтернативная» фотовольтаика в сравнении с «классической»? Или как разбить на поколения известные солнечные элементы? Это очень просто:

  1. Солнечные элементы на базе кристаллического кремния (EFG – Edge Defined Film fed Growth, RGS – Ribbon Growth on Substrate). Самые древние, можно сказать каменные век. Первые разработки можно отнести к заре эры микропроцессорной техники – конец 60-х, начало 70-х.
    Немножко теории
  2. Тонкоплёночные солнечные элементы, такие как аморфный кремний, кремниевые плёнки, различные варианты экологически «небезопасных», но интенсивно производящихся на настоящий день, на основе кадмия и теллура. Получили толчок к развитию вместе с кремниевыми, но лишь в конце 80-х, начале 90-х перешагнули 10% барьер эффективности.
  3. Альтернативная фотовольтаика, включающая в себя DSSC (сенсибилизированные солнечные элементы или солнечные батареи Гратцеля), гибкие органические батареи (на основе олигомеров и полимеров), в том числе и тандемные солнечные элементы, а также диковинный пока подвид – солнечные элементы на основе квантовых точек (наноразмерных частиц полупроводников).


Фотовольтаика не совсем полно, но наглядно. Источник.

И логичный вопрос: а где же тогда место этой альтернативной фотовольтаике? Как уже было сказано, в голове надо держать два параметра: эффективность и стоимость производства, что влечёт за собой удешевление электроэнергии, выработанной такой батареей в €/Вт. Как мы можем видеть из приведённых ниже графиков кристаллический кремний, пожалуй, по всем параметрам наиболее перспективный материал для солнечных элементов. Особенно в долгосрочной перспективе, когда его стоимость инвестиций может быть уменьшена до 50 центов и ниже за Вт. Однако стоит заметить, что получение такого высокочистого или «солнечного» кремния связанно с огромными экологическими рисками, о которых в ЕС и США особенно сильно пекутся. Ах, да, через 5 минут будет сказано с саркастической улыбкой, что производство кадмий-теллуридных, CdTe, батарей растёт – парадокс, но оставим его на совести Гринписа и администрации стран-производителей…


Оценки эффективности и стоимости инвестиций для различных типов солнечных элементов в крастко-, средне- и долгосрочной перспективе.

Конечно, на сегодняшний день даже аморфный кремний (производство дешевле и не требует «серьёзной химии») хоть по стоимости и сопоставим с кристаллическими аналогами, но всё ещё не обладает достаточной эффективностью, чтобы побороться за какой-то лакомый сегмент рынка. Но что интересно на этой диаграмме: некремниевые солнечные элементы изначально обладаю гораздо более низкой стоимостью инвестиций и, соответственно, более низкой стоимостью полученной с их помощью электроэнергии. Это как раз и даёт надежду исследователям и инвесторам, что в будущем, можно за счёт использования таких процессов как roll-to-roll (читайте, как газету печатать) существенно снизить издержки при производстве таких элементов. Но об этом я расскажу во второй части, посвящённой альтернативам.


Пример солнечного элемента первого поколения – поликристаллический кремний

Но и это ещё не всё, в случае с гибкими солнечными элементами, а таких, большинство в группе альтернативных, есть очень много потенциальных областей применения: от умной одежды, которая будет заряжать ваш мобильник в солнечную погоду (например), до тентов и навесов, способных запитать небольшой чайник на природе.


Панели солнечных элементов второго поколения

С учётом специфических условий эксплуатации – в полях, так сказать – а также принимая во внимание стремление всех ведущих производителей мобильной техники уменьшить толщину смартфона или ультрабука в ущерб времени автономной работы, то согласитесь данный сегмент рынка может выстрелить очень и очень быстро.

Но вернёмся от фантазий о рае будущего на нашу грешную землю, точнее, к традиционным солнечным элементам.

Состояние современного рынка солнечной энергетики.


Что касается каких-то более точных цифр для солнечных элементов первого поколения, то они были представлены в виде понятного даже детям рисунка:


Номинальные параметры традиционных солнечных элементов

При этом стоимость модуля на 54 Вт обычно не превышает 60 евро, а каждый кВт*ч полученной энергии обходится потребителю менее чем в 50 центов. Сроки эксплуатации огромны – обычно это десятки лет (25-30 лет является нормативом), если не происходит чего-то экстраординарного – потопы, ураганы, русские крещенские морозы и т.д. Ну а затем батареи разбираются, перерабатываются и из них изготовляют новые.

Далее я хотел бы привести немного статистики. Конечно, доля моно- и поли-кристаллических батарей огромна и суммарно отъедает до 90% рынка, но посмотрите, как с начала 2000-х выросла доля CdTe-батарей (экологи – ха-ха), как медленно, но верно начали прорастать другие технологии, в том числе и альтернативные виды фотовольтаики (в данном случае отмечены, как others). И всё это происходит не в жирные годы экономического роста, когда деньги на научное колесо льются рекой, а сейчас, на наших глаза, когда в ЕС и США всё ещё продолжается рецессия.


Доли рынка солнечной энергетики для различных видов батарей

Что ж можно сравнить с данными, приводимыми в Wiki – хорошее совпадение:


Где и что производят и ставят?


Конечно, можно было бы уже догадаться, что, как и в известной шутке:
"– Какие три самые популярные слова на планете?
– Мир, труд, май
– Нет, Made in China
", – большая часть производства солнечных элементов сосредоточена в Китае. По состоянию на 2011 год – больше половины всех произведённых модулей за тот год имеют шильдик: Made in China.


Годовое производство солнечных элементов первого поколения

Тогда как основной потребитель готовой продукции – это, как ни странно, матушка Европа. Среди европейских стран бесспорным лидером является Германия, вслед за которой в эру использования Солнца, как универсального источника энергии, пытается заскочить Италия, что обусловлено, по большому счёту, благоприятным климатом. Хотя, например, на Сицилии, где проводилась школа, преимущество отдано ветрякам.

Хочется также заметить, что, например доля Испании, где климат благоприятствует развитию солнечной энергетики, практически не наращивает установленной мощности солнечных элементов с 2008 года, тогда как даже Китай существенно увеличил этот параметр за тот же период.


Суммарная установленная мощность солнечных элементов первого поколения

Коль скоро Германия в ЕС является наиболее значимым потребителем альтернативных источников энергии, в целом, и солнечной, в частности, то за прошедшие 7 лет можно оценить степень падения цен на модули. Так если средняя розничная цена системы, устанавливаемой на крышу, была около 5 100 евро за кВт пиковой мощности, то во втором квартале 2013 года она упала до 1 700 евро. В 3 раза за 7 лет! Неплохой результат, надо отметить.

Так же хотелось бы обратить внимание на четвёртый квартал 2008 года. В США полыхает кризис, в ЕС закрываются банки, казалось бы, цены должны остаться на уровне Q4 2008 и никуда не двигаться, ведь предприятия закрыты, пароходы списаны, а денег в банках нет. Но оказалось совершенно наоборот, через год после начала кризиса цена упала на 30% до менее 3 000 евро за КВт.


Стоимость кВт пиковой мощности в евро в течение последних 7 лет без учёта НДС, так как НДС может меняться даже между федеративными землями в ФРГ

И в заключении хотелось бы представить расчёты стоимости выработанной электроэнергии таким кремниевыми солнечными элементами. Если взять представленный выше суммы за солнечную панель, срок службы солнечной панели в 20 лет, 5% в год затраты (например, 4% процент по кредиту и 1% стоимость обслуживания самой батареи), то получится следующее распределение стоимости произведённой электроэнергии центах за кВт*ч:


Стоимость выработанной солнечной панелью электроэнергии в центах за кВт*ч: по горизонтали – средняя степень освещённости местности, по вертикали – рыночная стоимость солнечной панели в долларах за кВт пиковой мощности (Источник)

Промежуточное заключение


Что же мы имеем в итоге? На данный момент рынок кремниевой «классической» солнечной энергетики сформирован, доля кристаллического кремния составляет более 90%, и основных игроков на нём уже трудно будет потеснить (а в основном это Китай, ЕС, Япония и США).

Какова цель или почему государства «донатят» программы по солнечной энергетики? Причина довольно прозрачна: максимально диверсифицировать структуру энергопотребления, развить технологии и, в ряде случаев (Германия, например), снизить зависимость экспорта из соседних регионов (из России, в частности).

Как в этих условиях жить и развиваться «альтернативным» типам солнечных элементов, о которых было упомянуто в самом начале? Есть ли место в тени поликристаллического кремния? Или всё это баловство, которое ни к чему не приведёт? Я постараюсь дать ответ через призму тех технологий, что разрабатываются в настоящий момент.

И как с этим справится наш герой?
Все на просмотр картины второй!


В статье использованы материалы: habrahabr


Средний балл: 8.7 (голосов 7)

 


Комментарии
Добрый вечер.
Нет термина фотовольтаика в русской науке,фотоэнергетика!!! солнечная энергетика, гелиоэнергетика, но не фотовольтаика. Это безграмотный перевод с английского. Причем безграмотность приняла устрашающие размеры. Специалист не может сказать фотовольтаика. Наши (советские) ученые основоположники фотоэнергетики. Огромное количество открытий, теория и основные идеи и все перечеркнуть только потому, что эффективным менеджерам книги читать (советские)и учиться не обязательно? ФОТОЭНЕРГЕТИКА
Шуваев Сергей Викторович, 25 ноября 2013 03:12 
Меня всегда буквально мучил вопрос, где граница между "безграмотностью" и допустимым заимствованием и кто ее определяет, регулирующей организации по сути-то нету?
Владимир Владимирович, 24 ноября 2013 21:31 
Пастух Евфграфович, 26 ноября 2013 07:29 
ja, ja, gut, so sei es!

Палии Наталия Алексеевна, 04 декабря 2013 12:10 
очень интересная статья
Савка Петр Романович, 08 декабря 2013 14:04 
Спасибо за такую полезную информацию. Наверное буду пробовать заниматся этим, очень вдохновила меня ваша статья.

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Наномалина
Наномалина

На XXI Менделеевском съезде награждены выдающиеся ученые-химики
11 сентября 2019 года в Санкт-Петербурге на XXI Менделеевском съезде по общей и прикладной химии объявлены победители премии выдающимся российским ученым в области химии. Премия учреждена Российским химическим обществом им. Д.И.Менделеева совместно с компанией Elsevier с целью продвижения и популяризации науки, поощрения выдающихся ученых в области химии и наук о материалах.

Россия подала в ЮНЕСКО заявку на учреждение премии имени Менделеева для молодых ученых
Россия подала в ЮНЕСКО заявку на учреждение премии имени Менделеева для молодых ученых. Об этом премьер-министр РФ Дмитрий Медведев сообщил, открывая встречу с нобелевскими лауреатами, руководителями химических обществ, представителями международных и российских научных организаций.

Перст-дайджест
В новом выпуске бюллетеня «ПерсТ»: Синтез “перламутровых” нанокомпозитов с помощью бактерий. Оптомагнитный нейрон.Устойчивость азотных нанотрубок. Электронные характеристики допированных фуллереновых димеров.

Люди, создающие новые материалы: от поколения X до поколения Z
Е.В.Сидорова
Самые диковинные экспонаты научной выставки, организованной в Москве в честь Международного года Периодической таблицы химических элементов в феврале 2019 г., можно было рассмотреть только "вооруженным глазом»: Таблица Д.И.Менделеева размером 5.0 × 8.7 мкм и нанопортрет первооткрывателя периодического закона великолепно демонстрировали возможности динамической АСМ-литографии на сканирующем зондовом микроскопе. Миниатюрные произведения представили юные участники творческих конкурсов XII Всероссийкой олимпиады по нанотехнологиям, когда-то задуманной академиком Ю.Д.Третьяковым — основателем факультета наук о материалах (ФНМ) Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова. О том, как подобное взаимодействие со школьниками и студентами помогает сохранить своеобразие факультета и почему невозможно воплощать идею междисциплинарного естественнонаучного образования, относясь к обучению как к конвейеру, редактору журнала «Природа» рассказал заместитель декана ФНМ член-корреспондент РАН Е.А.Гудилин.

Как наночастицы применяются в медицине?
А. Звягин
В чем преимущества наночастиц? Как они помогают ученым в борьбе с раком? Биоинженер Андрей Звягин о наночастицах в химиотерапии, имиджинговых системах и борьбе с раком кожи.

Медицинская керамика: какими будут имплантаты будущего?
В.С. Комлев, Д. Распутина
Почему керамические изделия применяются в хирургии? Какие технологии используются для создания имплантатов? Материаловед Владимир Комлев о том, почему керамика используется в медицине, как на ее основе создаются имплантаты и какие перспективы у биоинженерии

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.