НТЦ по имени Солнце

В России созданы промышленные солнечные модули мирового класса. Похожую эффективность показывают всего еще два производителя в мире
НТЦ по имени Солнце
Китайские и южнокорейские предприятия, стартовав в 2008 году, всего за два года заняли 40% мирового рынка поликремния, а за четыре — «уронили» цену на продукт более чем в 20 раз — с 450 до 20 долларов за килограмм

Недавно «Стимул» опубликовал интервью лауреата премии «Глобальная энергия» 2017 года Михаэля Гретцеля. Эту награду он получил за разработку технологий солнечной энергетики, альтернативных преобладающим сейчас кремниевым. В его технологиях кремний практически не используется. Впрочем, эти методы только-только начинают обретать промышленные очертания, и рынкам еще предстоит к ним присмотреться. Об этом говорил и сам Гретцель, призывая не рассматривать «старые» кремниевые и «новые», к примеру так называемые перовскитные, технологии в качестве конкурентов, а нововведения — как альтернативу, призванную со временем вообще вытеснить кремний из практики (подробнее см. статью «Солнце в ячейке Гретцеля»).

История с недавней разработкой российской компанией «Хевел» фотоэлектрических модулей с КПД более 22% — а такие производят сейчас только две компании в мире (Panasonic и Sun Power) — еще раз подтверждает: не только списывать со счетов «старый» кремний рано, наоборот, очевидно, что его использование будет только масштабируемо расширяться, несмотря на определенные ограничения в росте КПД, связанные с физикой полупроводников и различными технологическими препонами.

magnifier (1).png К 2024 году в России запустят 57 СЭС общей установленной мощностью 1,5 ГВт. Для сравнения: Китай только в первом квартале этого года ввел в эксплуатацию 7 ГВт СЭС, а за весь прошлый год — почти 35 ГВт

Кремниевые технологии еще надолго останутся самыми эффективными из существующих коммерческих способов получения энергии Солнца. Так считает Евгений Теруков, заместитель генерального директора НТЦ ТПТ по научной работе. Он один из главных героев разработки отечественной версии так называемой гетероструктурной технологии производства фотоэлектрических модулей, которая позволяет выпускать промышленные солнечные ячейки с КПД 22,4% — сейчас это лучший мировой результат. Причем не только позволяет — в июле технология была запущена на заводе «Хевел» в Новочебоксарске, в Чувашии.

 

Тепло дешевле Солнца

Российская компания вышла в глобальные технологические лидеры, хотя объективных предпосылок для этого, казалось, было немного: доля нашей страны в глобальной солнечной энергетике ничтожна — около 300 МВт установленной мощности станций из более 300 ГВт, работающих в мире. Правда, 300 МВт — это если не брать в расчет еще примерно 400 МВт мощности пяти крымских солнечных электростанций (СЭС), построенных австрийцами еще в украинский период жизни полуострова. Есть и российский вклад в строительство этих СЭС. Проекты получили кредиты от Сбербанка, Проминвестбанка и «ВТБ Капитала», прельстившихся возможностью быстро отбить деньги за счет специального «зеленого тарифа», учрежденного в свое время украинским правительством. Но после того, как Крым вошел в состав России, у солнечной энергетики полуострова начались проблемы — с приходом значительно более дешевой электроэнергии российских ТЭС для СЭС там наступили непростые времена. И хотя часть мощностей этих станций задействована, нетрудно догадаться, что деятельность их убыточна и говорить о скором возврате инвестиционных вложений наших банков скорее всего не приходится.

Группа компаний «Хевел» — самая большая в России интегрированная компания в отрасли солнечной энергетики. Сегодня в ее структуру входят: завод по производству солнечных модулей, девелоперское подразделение (проектирование и строительство солнечных электростанций, портфель проектов на ближайшие годы — около 1 ГВт) и Научно-технический центр тонкопленочных технологий в энергетике — единственная в России профильная научная организация, занимающаяся исследованиями и разработками в сфере солнечной энергетики.

Помимо традиционных интересов компания приглядывается еще к трем крупным сегментам в области ВИЭ: это строительство масштабных сетевых СЭС (в России и за рубежом), автономная гибридная генерация, а также розничный рынок («крышная энергетика», поставки модулей рядовым потребителям).

В 2014 году компания запустила свою первую станцию — Кош-Агачскую СЭС на Алтае. Здесь же, на Алтае, будет смонтирована и первая станция на гетероструктурных модулях российского производства — Майминская СЭС.

Весьма скромны и российские планы дальнейшего развития солнечной энергетики. Предполагается, что к 2024 году в нашей стране по договорам о предоставлении мощности запустят 57 СЭС мощностью от 5 до 70 МВт общей установленной мощностью 1,5 ГВт.

Китай, к примеру, только в первом квартале этого года ввел в эксплуатацию 7 ГВт СЭС, а за весь прошлый год — почти 35 ГВт, доведя их общую установленную мощность до 77 ГВт. Мало кто сомневается, что планы китайцев довести эту цифру до 200 ГВт через три года, будут выполнены. Наши замыслы на два порядка меньше.

Однако такое положение дел не стало помехой для разработки и внедрения именно в нашей стране промышленной технологии выпуска фотоэлементов, превышающих средний мировой уровень по эффективности.

Кстати, возникает вопрос: КПД 22% — это вроде как совсем немного для рекордных величин эффективности. На современных парогазовых станциях электрический КПД доходит до 60%, а в гидроэнергетике КПД всегда выше 90%. Но у солнечной энергетики параметры эффективности существенно ниже. Средняя эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую на СЭС сейчас редко превышает 15%. Когда же в качестве сенсаций появляются сообщения о достижении 30% и более, надо иметь в виду, что речь идет лишь о небольших лабораторных образцах элементов, и достигается этот КПД при идеальных условиях. Об этом нам рассказал сам Евгений Теруков. Так что для отраслевых достижений в области именно промышленных фотоэлектрических модулей такое значение действительно рекорд в глобальном масштабе.

 

На тонкой пленке

Организационно история этой разработки уходит корнями в 2009 год, когда «Роснано» и ГК «Ренова» основали компанию «Хевел» (в переводе с чувашского — «солнце»). Ставилась амбициозная задача развития промышленности солнечной энергетики в стране. Отечественного оборудования не существовало, и пришлось выбирать, какой по типу технологии завод предстоит покупать за границей. Несколько упрощая, можно сказать, что базовыми на тот момент были два основных способа производства фотоэлектрических модулей: из кристаллического кремния и тонкопленочный — на основе так называемого аморфного кремния.

Вообще-то локомотивом солнечной энергетики и тогда и сейчас являются модули из кристаллического кремния. На их основе работают почти все СЭС мира. Дело в том, что их КПД и в конце 2000-х примерно в полтора раза превышал эффективность тонкопленочных, а сейчас этот показатель и вовсе вдвое выше. Тем не менее, когда было принято решение о строительстве в России завода по производству фотоэлектрических модулей, выбрали именно тонкопленочную технологию. Аргументов в пользу такого решения называют несколько.

Заместитель генерального директора НТЦ ТПТ по научной работе Евгений Теруков: «Кремниевые технологии — самые эффективные из существующих коммерческих и сбалансированных по стоимости способов получения энергии Солнца»

Заместитель генерального директора НТЦ ТПТ по научной работе Евгений Теруков: «Кремниевые технологии — самые эффективные из существующих коммерческих и сбалансированных по стоимости способов получения энергии Солнца»

Фотография: ГК «Хевел»

Начиная с середины 2000-х благодаря введению в европейских странах специального налога в тариф на электричество фотовольтаика становится гораздо более привлекательным источником энергии для инвесторов, и число СЭС начинает стремительно расти. Причем для станции мощностью 1 МВт, по словам Евгения Терукова, необходимо семь тонн поликремния — полуфабриката для получения кристаллического кремния, используемого уже непосредственно в фотоэлектрических преобразователях. Провоцируется бурный рост спроса на поликремний, что закономерно ведет к росту его цены более чем вдвое — с 200 до 450 долларов за килограмм всего за три года, с 2006-го по 2008-й.

Именно в это время и происходит резкое повышение интереса именно к тонкопленочным технологиям. Разумеется, ими занимались и до наступления XXI века. В частности, первые результаты исследований по осаждению гидрогенизированного аморфного кремния англичанин Читтик опубликовал еще в 1967 году. После его работы интерес к возможности применения аморфного кремния в фотоэлектрических преобразователях энергии как теоретически более дешевого способа их производства только возрастал.

Дело в том, что основу тонкопленочных модулей составляют пленки полупроводниковых материалов, себестоимость производства которых гораздо ниже, чем сборок из кристаллического кремния, в том числе потому, что в них используется на два порядка меньше кремния, чем в кристаллических модулях, в структуре стоимости которых кремний занимает 40%. Причем при производстве модулей применяются относительно недорогие плазмохимические методы, не требующие такого огромного количества энергии, как при диффузионных способах, используемых при выпуске модулей на кристаллическом кремнии. Поэтому себестоимость производства «пленок» в пересчете на ватт получаемой электроэнергии меньше, чем для тех же модулей на кристаллическом кремнии.

magnifier (1).png Средняя эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую на СЭС сейчас редко превышает 15%

При выборе технологии для нашего завода важным аргументом считали и то, что, несмотря на значительно более низкий КПД, тонкопленочная технология обеспечивала сопоставимые объемы выработки электроэнергии в российских климатических условиях за счет лучшего восприятия рассеянного света и низкого температурного коэффициента (эта величина характеризует зависимость потенциального барьера в p-n-переходе от температуры).

Просматривался и собственно коммерческий интерес «Реновы». Лучшее оборудование для выпуска тонкопленочных модулей тогда производили в швейцарской фирме Oerlicon Solar, одного из подразделений OC Oerlicon Corporation AG, а владелец «Реновы» как акционер головной компании как раз стремился усилить в ней свои позиции.

В итоге решение о покупке завода «под ключ» на оборудовании и по тонкопленочной технологии Oerlicon Solar принималось в «Ренове», но проект стоимостью 23 млрд рублей, значительную часть которых вносила «Роснано», необходимо было еще утвердить в госкорпорации. Для написания технического обоснования ищут экспертов и выходят как раз на Евгения Терукова, так как специалистов его уровня в этой области в стране было всего несколько человек.

 

Китайский блицкриг

Сам Теруков до прихода в проект активно занимался физикой аморфных гидрогенизированных полупроводников, основным предметом его интереса была разработка материалов и устройств для кремниевой оптоэлектроники. Это направление, рассказывает ученый, успешно финансировалось через западные гранты, что в 1990-е позволяло его коллективу нормально существовать в петербургском Физико-техническом институте.

Выбор тонкопленочной технологии в 2009 году не казался чем-то неправильным, продолжает он. Да, в случае ее покупки на выходе получались бы модули с КПД всего 9%, но в то время, при тогдашних ценах на кремний и с учетом других обстоятельств это было вполне конкурентоспособным решением. К тому же технология развивалась, делались прогнозы об увеличении эффективности преобразования до 14%, что уже сопоставимо с показателем фотоэлектрических модулей из кристаллического кремния.

Производственные результаты по выработке солнечной электроэнергии на СЭС, пущенных компанией Хевел, тыс. кВт*ч

СЭС УМ
2015
2016 2017
МВт
II кв.
III кв.
IV кв.
I кв.
II кв.
III кв.
IV кв.
I кв.
II кв.
Республика Алтай
Кош-Агачская СЭС
5 2647
2436
719
1516
2671
2424 1219 1966 1840
Кош-Агачская СЭС-2
5



2626 2424 1132 1950 1824
Усть-Канская СЭС
5




92 1148 1450
Оренбургская область
Переволоцкая СЭС
5
185 880 2113 2017 380 865 1560
Плешановская СЭС
10





843 2485
Грачевская СЭС
10






567 1938
Соль-Илецкая СЭС
25







2670
Республика Башкортостан
Бурибаевская СЭС
20


788 3884 3800 1081 3847 5883
1 оч.
10


788 3884 3800 1081 2353 2776
2 оч.
10



0
0
0
1494 3117
Бугульчанская СЭС
15



2206 2061 531 2749 4466
1 оч.
5



2206 2061 505 960 1470
2 оч.
5



0 0 0 921 1487
3 оч.
5



0 0 26 868 1509

Источник: ГК «Хевел»

После запуска проекта на территории Физтеха и для использования наработок института по инициативе Терукова еще до строительства самого завода по выпуску солнечных модулей в Новочебоксарске организовывается НТЦ тонкопленочных технологий в энергетике. Ученый видел пути совершенствования технологии, и предполагалось, что к моменту запуска предприятия на нем можно будет очень быстро переналадить оборудование для производства элементов с более высокой, чем у Oerlicon, эффективностью.

Для этого в НТЦ реализуется схема: научный результат — его масштабирование на оборудовании, аналогичном заводскому, — трансфер технологии на предприятие. Задумка срабатывает: уже в первый год работы питерскому центру удается повысить КПД на 1%, и становится понятно, как внедрить улучшения на будущем предприятии и идти дальше. Но Евгений Теруков с командой параллельно уже приступают к разработке новой технологии — гетероструктурной, которой предстояло объединить преимущества обоих базовых способов производства фотоэлектрических модулей: тонкопленочного и из кристаллического кремния.

Поворот к новому направлению был вызван тем, что ситуация на рынке кремния в начале 2010-х снова начинает стремительно меняться, а золотое время для западных производителей с запредельно высокой стоимостью поликремния почти одномоментно заканчивается. Цены на «полуфабрикат» сначала медленно, потом все быстрее набирая обороты, падают, и происходит их обвальное — почти в двадцать раз! — падение: с 400 долларов примерно до 20 долларов за килограмм.

Многие наблюдатели пропустили, как Китай без излишней шумихи начинает проводить политику постепенного отказа от потребления углеводородного топлива, в рамках которой, в частности, запускает, предварительно освоив западные технологии, национальную государственную программу развития кремниевой промышленности. Для выполнения своей же программы развитию возобновляемых источников энергии и имея в виду экспортный потенциал, основанный на быстром вводе мощностей СЭС, субсидируемого бюджетами развитых стран, Поднебесная открывает в рамках корпорации GCL-Poly Energy Holdings кремниевые предприятия с огромными производственными возможностями, и они, по данным International Technology Roadmap for Photovoltaic, всего через три года уже завоевывают почти четверть мирового рынка поликремния. Немного отстает Южная Корея: примерно в это же время заработали заводы компании OCI, также почти сразу отнявшей около 15% глобального рынка у прежних лидеров. И если к концу 2000-х в мире был дефицит поликремния, то к 2013-му сформировался почти двукратный его переизбыток. Одновременно Китай запускает и десятки предприятий по выпуску собственно фотоэлектрических модулей, и опять-таки к 2013 году в стране выпускается уже 80% всех производимых в мире модулей на кристаллическом кремнии!

Всего за два три-года происходит слом огромного рынка, заставший врасплох многих его игроков, не исключая и компанию «Хевел». «Я по-прежнему не считаю, — утверждает Евгений Теруков, — что решение с выбором тонкопленочных технологий было ошибочным, просто потом очень быстро, неожиданно для многих, по сути, сменился мировой рыночный и технологический уклад». Становится очевидным, что расчет маркетологов на эффект дорогого кремния, поддерживающего конкурентоспособность дешевой тонкопленочной технологии, изжил себя полностью.

В лабораториях НТЦ ТПТ успешно реализована схема: научный результат — его масштабирование на оборудовании, аналогичном заводскому — трансфер технологии на предприятие
В лабораториях НТЦ ТПТ успешно реализована схема: научный результат — его масштабирование на оборудовании, аналогичном заводскому — трансфер технологии на предприятие
Фотография: ГК «Хевел»

Все же нельзя сказать, что сами участники проекта до конца не чувствовали необходимость изменений. Вероятно, пытаясь переформатировать проект, еще 2012 году глава «Роснано» Анатолий Чубайс и председатель совета директоров группы «Ренова» Виктор Вексельберг пытались получить кредит на 13,7 млрд рублей в ВЭБе. Но банк развития в кредите отказал, посчитав проект слишком рискованным.

А в это время подходили сроки сдачи в эксплуатацию завода, становившегося в новых обстоятельствах скорее обузой, и русский солнечный проект стоимостью 23 млрд рублей со временем грозил закончиться крахом. Ученый, уже имевший соображения, как можно в новых условиях использовать большую часть установленного на чувашском предприятии оборудования, предлагает акционерам компании революционный переход именно на гетероструктурные технологии как единственную возможность перевести дело в конкурентоспособное русло.

 

Как спасти 23 миллиарда рублей

К слову сказать, в мире все тонкопленочные предприятия обанкротились, и «Хевел» в перспективе ждал лишь небольшой внутренний спрос. Формально, рассказывает Теруков, можно было выпускать тонкопленочные модули еще до 2020 года, и две станции — Соль-Илецкую СЭС на 25 МВт и Бурибаевскую СЭС на 20 МВт — из таких модулей компания успела построить, причем обе СЭС работают с проектным коэффициентом использования мощности, что в целом подтверждает надежность тонкопленочной  технологии. Но, по его словам, это было бы нечестно по отношению к их потребителю, хотя этот потребитель, ориентируясь на быстрый возврат инвестиций, скорее всего проглотил бы предложенное, так как по условиям постановления (имеется в виду постановление правительства РФ от 28 мая 2013 года № 449 «О механизме стимулирования использования возобновляемых источников энергии на оптовом рынке электрической энергии и мощности») речь идет не о КПД, а только об установленной мощности СЭС. Но Теруков убежден, что «Хевелу» нужны конкурентоспособные решения для уверенного присутствия на российском и зарубежных рынках в будущем.

Как ученому Евгению Терукову, безусловно, уже приходилось соприкасаться с гетероструктурными технологиями: он часто работал в Берлине, в Адлерсхофе, где располагается самый большой европейский технопарк, и встречался там по научным интересам с профессором Вальтером Фусом. Последнему принадлежит приоритет в открытии эффекта гетероконтактных переходов на кристаллическом кремнии. Совместно с немецким исследователем и рядом коллег из Физтеха еще в 2004 году Теруков по результатам фундаментальных работ опубликовал статью «Краевая электролюминесценция кремния: гетероструктура аморфный кремний — кристаллический кремний».

magnifier (1).png К 2013 году благодаря бурному росту производства кремния в Китае и Корее мировые цены на поликремний обрушились в 20 раз. Стало очевидным, что расчет маркетологов на эффект дорогого кремния, поддерживающего конкурентоспособность дешевой тонкопленочной технологии, изжил себя полностью

Теруков был знаком и с достижениями японской Sanyo, в начале 1990-х создавшей на основе работ Фуса первый в мире гетероструктурный солнечный элемент на аморфном кремнии с использованием кристаллического кремния n-типа и в 1992 году запатентовавшей его. В 2012 году срок действия патента закончился. Можно было попытаться обернуть наработки Физтеха в этой области и личный опыт Терукова в спасительную для «Хевела» технологию.

Они, вспоминает ученый, предложили модернизировать завод и превратить швейцарскую игрушку в современный конкурентоспособный завод с параметрами модуля лучших мировых компаний. В НТЦ тонкопленочных технологий исходили из того, что на заводе есть современные плазмохимические установки, на которых напыляются слои аморфного кремния. Они являются сердцем завода и составляют 60% его стоимости. Это восемь сложных установок большой производительности, стоящих в чистой зоне. Было предложено заменить традиционный при создании гетероструктур другими компаниями диффузионный, высокотемпературный процесс для создания p-n-перехода, на котором и происходят разделение носителей и генерация фототока, на формирование гетероконтакта в этих машинах. Только в этом случае в плазмохимический реактор помещается не стекло, как в тонкопленочной технологии, а подложкодержатель, на котором располагаются кремниевые пластины толщиной 160–180 микрон, и на их поверхность методом плазмохимического осаждения наносятся тонкие легированные слои аморфного гидрогенизированного кремния, формирующие на ней гетероконтакт. Уже первые модули, созданные по новой технологии, имели промышленную эффективность около 20%, а сама технология за счет удвоения КПД по сравнению с тонкопленочными модулями давала удвоение производительности предприятия с 80 до 160 МВт. Семьдесят процентов оборудования завода удалось сохранить. На модернизацию было затрачено около 40 млн евро. Процесс модернизации завода начался в августе 2016 года и уже в апреле 2017-го в Новочебоксарске был налажен промышленный выпуск модулей по новой технологии.

В гетероструктном солнечном элементе преобразование света в электричество осуществляется в пластине кристаллического кремния. Легированные пленки аморфного кремния толщиной 15–20 нм используются для формирования на поверхности кремния гетероперехода и омического контакта. Это осуществляется на том же высокопроизводительном плазмохимическом оборудовании, которое использовалось в процессе получения тонкопленочных микроморфных модулей. Процесс нанесения (напыления) тонких пленок аморфного кремния заменяет диффузию примеси при создании p-n-перехода в стандартной технологии кремниевого солнечного элемента.

В гетероструктном солнечном элементе преобразование света в электричество осуществляется в пластине кристаллического кремния. Легированные пленки аморфного кремния толщиной 15–20 нм используются для формирования на поверхности кремния гетероперехода и омического контакта. Это осуществляется на том же высокопроизводительном плазмохимическом оборудовании, которое использовалось в процессе получения тонкопленочных микроморфных модулей. Процесс нанесения (напыления) тонких пленок аморфного кремния заменяет диффузию примеси при создании p-n-перехода в стандартной технологии кремниевого солнечного элемента.

Иллюстрация: ГК «Хевел»

Сейчас питерское НТЦ ищет пути использования при производстве солнечных модулей по гетероструктурной технологии кремниевых пластин толщиной 90 микрон, что вдвое тоньше обычно применяемых в солнечных модулях ячеек. «Я считаю, — говорит Евгений Теруков, — что наш подход самый перспективный. Солнечная энергетика движется в сторону снижения стоимости, а для этого надо утончать кремниевую пластину. Все дорожные карты развития отрасли на 2030–2040-е годы предполагают как раз умение работать с тонкой пластиной. Сейчас стандартно используемая 160–180-микронная пластина стоит около 90 центов, на пластине более тонкой можно сэкономить половину. К тому же снижение толщины пластины дает значительное улучшение параметров работы всего изделия, в частности увеличивается напряжение холостого хода. Высокотемпературные диффузионные процессы, применяемые нашими конкурентами, при работе с такими пластинами использовать нельзя, потому что пластина становится неустойчивой, появляется напряжение, она начинает изгибаться. Вот здесь они упрутся, а мы — нет».

В солнечной энергетике для наземного применения в основном используются солнечные элементы, выполненные на пластинах кристаллического кремния двух типов — монокристаллические и мультикристаллические.

Основным методом получения монокристаллов кремния является метод Чохральского. Этот метод предусматривает выращивание монокристаллов из расплава кремния с помощью затравки определенного сечения и заданной ориентации. Из слитков затем получают кремниевые пластины для солнечных элементов.

Для получения слитков мультикремния используется метод направленной кристаллизации расплава в керамическом кварцевом тигле квадратной формы (метод Бриджмена—Стокбаргера). При кристаллизации происходит постепенное снижение температуры, при этом из расплава растут кристаллиты. Полученные слитки опять же режут на пластины для СЭ.

Второй метод более дешевый, но в результате производства получаются пластины худшего качества. Поэтому КПД СЭ из мультикремния (максимальный около 15%) ниже, чем у СЭ из монокристаллического кремния (около 20%). На рынке солнечной генерации присутствуют оба типа СЭ в соотношении 1:1, хотя понятно, что в перспективе ожидается увеличение доли именно качественных монокристаллических СЭ.

Рынок кремния, по большому счету, контролируют китайцы, производя поликремний, исходное сырье для обеих технологий, а также выпуская как монокристаллические, так и мультикристаллические модули.

Темы: Компания

Еще по теме
На рынке геонавигации — управления траекторией бурения на основе модели месторождения и текущих данных со скважины — дом...
Каждая инсталляция продукта или услуги «Лаборатории Касперского» — это не просто прибавка к ее выручке, а новый датчик в...