Борис Николаев
Две основные технологии изготовления ячеек фотоэлементов. Источник: American Chemical Society
Несмотря на объявленное Международным энергетическим агентством увеличение мировых инвестиций прежде всего в солнечную энергетику, эта отрасль возобновляемой энергетики сталкивается с существенными проблемами, которые замедляют ее развитие.
Институт развития технологий ТЭК (ИРТТЭК) попытался разобраться, почему солнечная энергетика развивается медленнее, чем многим бы хотелось.
Как ожидается, к 2023 году установленная мощность фотоэлектрических установок во всем мире превысит 1 ТВт, а к 2050 году достигнет 100 ТВт. Однако для достижения этих амбициозных целей скорость развития технологий тоже должна набрать обороты. Фотоэлектрические технологии должны работать одинаково хорошо как в жарких тропиках, так и на ледяных полюсах – в шторм, град, жару и снег. Универсальность солнечных панелей – это то, чего ждут и пока не дождутся инвесторы.
У развития солнечной энергетики имеются весьма существенные препятствия. К ним относится, например, вопрос надежности, поскольку ненадежность конструкций постоянно приводит к авариям в результате ураганов и прочих погодных катаклизмов. Но главной проблемой является недостаточная энергоэффективность. Существующие панели ограничены в том, сколько солнечного света они могут преобразовать в электричество, говорится в материалах ИРТЭК. Эффективность увеличилась за последние 40 лет, но только на 10%. Это ничтожно мало. В данном направлении необходим настоящий прорыв, возможно, с помощью использования особого материала для панелей. Все чаще слышны мнения об использовании перовскита, с помощью которого панели могут быть изготовлены в виде тончайших слоев. В данном случае речь идет о минерале титанат кальция. Его месторождения имеются на Урале, в австрийском Тироле, Швейцарии и в Финляндии. Аналогами перовскита являются галогениды висмута и сурьмы. Считается, что благодаря этим материалам можно создавать солнечные батареи с рекордным коэффициентам преобразования света в электричество. Однако при этом сохраняются проблемы со стоимостью и надежностью.
В определенной степени направления повышения эффективности солнечных панелей отражены в вышедшей в мае в свет 14-м издании Международной дорожной карты технологий фотоэлектрической солнечной индустрии (ITRPV), подготовленной Союзом немецкого машиностроения (Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau – VDMA). Данный доклад является не только авторитетным справочником по основным технологическим тенденциям отрасли, но и содержит довольно актуальную информацию по экономике солнечной энергетики.
Объемы поставок солнечных модулей в 2022 году оцениваются авторами в 295 ГВт, а установленная мощность солнечной энергетики на конец прошлого года – в 1198 ГВт. Мощности по выпуску фотоэлектрических модулей к концу 2022 года достигли 600 ГВт.
В отрасли идет постоянный процесс НИОКР, постоянное совершенствование, направленное на снижение потребления материалов на единицу продукции и повышение эффективности.
Авторы выделяют основную технологическую тенденцию – постепенный переход от наиболее распространенной технологии PERC (повышает эффективность модулей путем возврата отдельных неиспользованных спектров светового луча в начальное положение для повторного использования) к более эффективным ячейкам TOPCon (технология изготовления ячеек панелей на основе кремния) и SHJ (самая эффективная на сегодня технология преобразования света в электричество) – так авторы обозначают гетероструктурные продукты.
По прогнозу авторов доклада, рыночная доля TOPCon и SHJ в 2033 году достигнет 60 и 19% соответственно. Доля изделий из кристаллического кремния (c-Si) остается высокой, на уровне 95%, а доля тонкопленочных технологий – 5%. Ожидается, что такой расклад сохранится и в ближайшем будущем. Проблема подбора фотоэлементов для каждого конкретного случая связана с рядом факторов. К ним относятся выходная мощность, эффективность и даже эстетика. Но самым значительным фактором является внутренний слой ячеек с n-типом или p-типом. Он определяет общую производительность продукта.Действительно, выбранный фотоэлектрический (PV) модуль с солнечным элементом p-типа или солнечным элементом n-типа может повлиять на производительность и срок службы модуля
Несмотря на то что производство продукции n-типа, где в основе негативно заряженная пластина, набирает обороты, эта технология также требует более высокого потребления серебра, чем PERC p-типа (этот тип означает, что ячейка построена на основе положительно заряженной кремниевой пластины), поскольку оно используется для металлизации как на передней, так и на задней стороне ячейки. Тем не менее большинство крупнейших китайских производителей приступает к массовому производству TOPCon. В 2022 году фотоэлектрическая промышленность потребляла около 10% добываемого в мире серебра, и если отрасль хочет снизить затраты, ей необходимо постоянно думать о способах сокращения его потребления, говорится в отчете. Одним из вариантов является субституция – использование меди вместо серебра.
По сведениям аналитиков, произошло снижение цен на все продукты на основе c-Si, при этом средневзвешенная спотовая цена на модули c-Si в конце 2022 года снизилась на 14% в годовом исчислении. Ценовые надбавки для мощных, двусторонних и n-модулей незначительны.
Отмечается быстрый переход на крупные форматы пластин. Согласно отчету, кремниевые пластины G1 должны полностью исчезнуть с рынка в 2023 году, а размеры М6 продержатся только до 2027 года.
В прошлом году доля монокристаллических кремниевых пластин на рынке составила 97%, в том числе рыночная доля изделий n-типа составила 15%. Авторы прогнозируют, что она вырастет примерно до 65% в 2033 году.
До 2025 года на рынке будут доминировать материалы p-типа, легированные галлием.
Также предполагается, что солнечные панели на пластинах формата более 210 мм (G12+) получат распространение с 2025 года, а их доля рынка достигнет 6% в 2033 году.
Согласно ITRPV, дальнейшая эволюция технологий во всех областях индустрии обеспечит повышение эффективности основных модулей p-типа на основе mono-Si с 21,4% сегодня до 22,75% в следующем десятилетии. Эффективность модулей n-типа (TOPCon, SHJ), в настоящее время близкая к 22,5%, к 2033 году вырастет до 24%, а панелей IBC – до 24,5%.
Начало массового производства тандемных ячеек прогнозируется после 2025 года.
Большинство новых заводов по выпуску солнечных ячеек и модулей, вводимых в строй после 2026 года, будут обладать годовой производственной мощностью более 5 ГВт, чтобы получать выгоду от эффекта масштаба. Те, мощность которых ниже 2 ГВт, в основном будут обслуживать конкретные проекты и/или географические регионы.
Авторы доклада отмечают, что коэффициент обучения кремниевых солнечных модулей, который обычно при достижении зрелости рынка снижается, напротив, повысился до 24,4% на расчетном периоде 1976–2022 годов (коэффициент обучения означает, что каждое удвоение продаж солнечных модулей приводит к снижению их стоимости на указанную величину). Это говорит о дальнейшем росте конкурентоспособности фотоэлектрических технологий.
