Бытиё и перспективы технологий солнечных батарей: часть вторая

первая часть

Итак, у СБ на любом конкретном полупроводнике есть ограничение по КПД, определяемое шириной запрещённой зоны. Весь свет краснее - она игнорирует. Весь свет синее она воспринимает, но режет его энергию до своего уровня. 
В итоге у хорошей кремниевой батареи с КПД 90% (на "своём" свете) на реальном солнечном свете КПД в 20% с пределом в 36% (этот "теоретический предел" для кремния часто упоминают, не понимая, чем он вызван и даже применяя ко всем СБ как классу). У того же арсенида галлия предел на солнце теоретическим пределом КПД будет 60%, а реально достигнутый рекордный КПД на этом полупроводнике - около 35%. Тупик.

Но что если сделать многослойную солнечную батарею? Сверху расположить СБ, которая берёт синий свет. Поскольку всё более красное она будет игнорировать и почти не тронув пропускать, под ней можно расположить СБ, с полупроводником с меньшей, "более красной" Езз. А ниже - и ещё одну, на инфракрасный свет. Тогда и от синего и УФ возьмём по "синему" максимуму, и от зелёного-жёлтого-красного используем его энергию по "красному" максимуму, и даже оставшийся ИК пустим в дело. Получается такая нарезка реального горба солнечного спектра на несколько диапазонов и накрытие его уже несколькими прямоугольниками, а не одним. 

КПД, конечно, вырастет. А поскольку из всей конструкции СБ - подложка, прозрачная защита, электроды и т.п., дополнительно в СБ появляются лишь несколько своёв полупроводника, получается неплохо: несколько СБ по цене одной. Такие СБ появились в середине-конце 80-х и называются "многопереходными" - в ней несколько pn-переходов из полупроводника с разной Езз один над другим.
Особенно здорово это сказывается на масссе: добавка ПП ничтожна по массе, но даёт огромную отдачу в росте КПД. Поэтому сейчас почти всё "космические" СБ - многопереходный арсенид галлия (да, ко всему прочему, у него ещё отличная устойчивость к жёсткой радиации).
Ессно, формирование многопереходной СБ слой за слоем дорого и мучительно. Особенно мучительно, если материалы несовместимы - имеют разный шаг кристаллической решётки, химически реагируют друг с другом, диффундируют друг в друга и т.п. Поэтому наиболее удобны полупроводники, которые позволяют менять Езз небольшими заменами в решётке, это означает, что технологии всех слоёв более-менее схожи и требуется меньше бесполезных промежуточных слоёв, чтобы "совместить" оджин слой с другим. Чтобы дать представление, насколько это сложно: наиболее крутые четырёхпереходные СБ требуют для своего формирования до 30 слоёв вакуумного напыления, каждый из которых - сложная, дорогая и энергоёмкая технологическая операция.

 ("атомный реактор на схеме условно не показан"(с) - на рисунке отсутствуют некоторые слои, необходимые для повышения КПД, но сложность нанесения такой структуры уже можно представить)

В космосе это давно и хорошо окупается. На Земле - ну, с арсенидом галлия были попытки работать с концентраторами (малое количество дорогих высокоэффективных фотоэлементов), но пока эта технология сильно отстаёт и проигрывает кремнию. Есть ли тут перспективы? Пока это кажется очень маловероятным, но возможным: из-за очень высокого потенциального КПД технология может выйти на первые места в массовой установке: концентрирующие линзы можно делать из чего угодно, а ничтожный расход полупроводника + очень высокий КПД (при концентрации света КПД, как помним, растёт) могут перевесить сложности с наведением на солнце и изготовлением. 
Это ещё один пример, насколько сильно ресурсные ограничения могут зависеть от технологии: при концентрации света в 30 раз потребности в материалах снижаются в те же разы.

Если посмотреть на картинку с рекордами снова, видно, что рекорды взяты не просто с арсенидом галлия, а с многопереходным арсенидом галлия, и чем больше переходов на одной СБ - тем предсказуемо выше КПД этого пирога (и, конечно, цена). 
Но хотя на арсениде галлия хорошо видна эволюция СБ и их технологий, массовым стал не он.

Кремний.

Следующим по достигнутому КПД идёт самый массовый полупроводник на текущий момент - кремний. Ставший почти синекдохой для солнечной энергетики.
На диаграмме он отмечен синим цветом. И тут сразу видны две вещи: насколько медленно и трудно совершествовались обычные СБ на нём. Синие закрашенные квадратики - это самая-самая классика: чистый кремний в виде монокристалла. До начала 2000-х его КПД из массовых СБ был наибольшим, деградация СБ на его основе мала, в общем, казалось, что он был, есть и будет основой солнечной энергетики, и основные усилия были сосредоточены на нём.

Что помешало, мешает и будет мешать монокристаллическому кремнию, и почему его сейчас теснят из массовых установок? 
Мешает всё. Кремний непрямозонный полупроводник, его для поглощения света нужно много - начинали с пластин толщиной полмиллиметра, сейчас обходятся толщиной 0.18мм, но всё равно это в десятки-сотни раз больше, чем для прямозонных ПП. Его чистота особенно критична для КПД СБ, а очистка дорога. Что ещё хуже, монокристаллическая СБ требует сначала изготовления монокристалла, а рост монокристалла - ОЧЕНЬ энергоёмкий процесс. Напилка пластин, формирование перехода диффузным допированием - всё это очень дорогие технологии микроэлектроники, и практически, без существенных отличий. В общем-то, когда речь заходит о дикой энергоёмкости, сложности и грязности производства СБ - всегда речь идёт о монокристалличестком кремнии. Оттуда, от этой технологии и из ранних дней технологии конца 80-х пошло множество мифов и впечатлений об СБ: действительно, о какой такой дешевизне может идти речь, когда энергию вырабатывают фактически напиханные квадратными километрами под стекло микросхемы?

Что ещё хуже - и это легко видеть на диаграмме - потребительские качества монокристаллического кремния после роста в 90-х (тогда не только рос КПД, но и быстро падала цена) расти перестали. КПД достиг своего практического предела (помним, у него есть абсолютный потолок в 36%). Удешевление шло до конца 2000-х за счёт ввода новых гиганстких производств по очистке кремния с новыми дешёвыми (в том числе и по энергии) технологиями, но оно тоже было исчерпано к началу 10-х годов нашего века. Ещё немного из этой кисочки можно выжать обратным переходом, например, собирающих электродов с серебра на медь или алюминий, а с оксида индия - на оксид олова/сульфид цинка (это к вопросу о "невозобновимых ресурсах", которые некоторые считают критичными для кремниевых СБ). Но наряду с удешевлением это ухудшит характеристики, причём так, что пока такой переход неоправдан с точки зрения цены за ватт.  Образовался некоторый тупик.

И тут обращаем внимание на конкурента монокристалла - поликристалл (пустые синие квадратики). При несколько меньшем КПД (потери на границах кристалликов) он оказался не настолько уж и хуже. С точки зрения технологии поликристалл выкидывает несколько критичных энергоёмких и дорогих операций, из которых главная - рост кристалла. И оп, энергоёмкость и стоимость СБ резко падают. Более того, несколько технологических трюков (без перспектив их развития, просто небольших изворотов) позволили повысить КПД и снизить требования к чистоте кремния. Ну а поскольку цена поликристалла во многом определяется ценой очистки, а спрос определяется ценой, пошла обратная связь, и китайцы ввели несколько огромных и очень эффективных производств. В том числе, прекрасных экологически: больше масштаб - легче контролировать выбросы, проще очистка в пересчёте на единицу готового продукта. Опять же, прошлый опыт не прошёл даром, опыт люди научились работать с хлорсиланами, и новая волна заводов строилась уже с учётом огромного опыта, накопленного на прошлом поколении заводов. Короче, в середине нулевых-начале 10-х в производстве кремния произошёл качественный скачок.
До кучи качественно изменились вспомогательные производства и смежники - производство закалённого обезжелезенного стекла, автоматизация сборки модулей - всё это вышло на новый уровень, и цены продолжали/продолжают падать, пока весь рынок подтягивается в этом к лидерам. В общем-то, любой, кто имел дело с СБ подтверждает: сейчас поликристалл - лучший выбор с точки зрения цена-качество.
Именно о поликристалле говорят не понимающие тонкости энтузиасты солнечной энергетики и зелёные, когда говорят о радикальном удешевлении СБ за последние годы. Да, он такой. 

Эти две технологии удерживали, удерживают и в ближайшие годы будут удерживать мировой рынок фотовольтаики. Несмотря на массу научных, технических и технологических тупиков, в которые уткнулись эти две технологии, вложения в кремний были огромны, и теперь их надо отбивать. Кроме того, на любое обозримое будущее кремний - самый дешёвый полупроводник, доступный людям, кроме, разве что, углерода.

Есть ли тут перспективы резкого удешевления? Или продолжения удешевления монокристалла и поликристалла теми же темпами годы вперёд? 
Об этом в следующей, третьей части.

(Короткий спойлер - нет. То, что питало падение цен в середине нулевых-начале десятых, - почти исчерпано. 
Зато есть перспективы у интересных изворотов и есть альтернативы.)