Совершенно очевидно, что мы находимся на переломном этапе в развитии солнечной энергетики. За последние 18 лет мощность солнечных фотоэлектрических систем выросла больше (в процентном отношении), чем у любого другого источника энергии. На долю солнечной энергии в настоящее время приходится 4,5% мировой выработки электроэнергии. Доля ветряной генерации составляет 7,5%, что означает, что доля ветра и солнечной энергии в совокупности составляет 12%. Для сравнения, доля атомной энергетики в мировом производстве составляет около 10%.
В настоящее время солнечные батареи являются самым дешевым источником энергии, который можно добавить в сеть. Экстраполяция усложняется по мере увеличения проникновения солнечной энергии, поскольку нам все чаще приходится учитывать затраты на модернизацию электрических сетей и добавление систем хранения энергии. Но ветровой и солнечной энергии еще предстоит пройти долгий путь. Скорейшему внедрению этих возобновляемых источников энергии способствуют технологические усовершенствования, которые снижают затраты на их установку и обслуживание (а также материалоемкость и энергозатратность) и повышают их эффективность. Одной из причин стремительного роста использования ветра и солнечной энергии является тот факт, что эти технологии постоянно совершенствуются.
Существует множество исследовательских программ, направленных на изучение различных методов улучшения существующих кремниевых фотоэлементов, которые доминируют на рынке. В настоящее время эффективность преобразования энергии для лучших кремниевых солнечных элементов, представленных на рынке, составляет от 18,7% до 22,8%. Это отличные цифры – когда я начал внимательно следить за развитием индустрии фотоэлектрических солнечных батарей, их КПД должен был составлять около 15%. Теоретически верхний предел для кремния составляет около 29%, так что у технологии есть некоторый запас прочности. Повышение эффективности, конечно, означает увеличение затрат энергии на каждый вложенный доллар и уменьшение количества панелей, необходимых для конкретной установки.
Однако кремний тяжелый, хрупкий и требует высоких температур для изготовления, что влечет за собой выбросы углекислого газа и удорожание производства. По этим причинам был проявлен большой интерес к поиску материала, который мог бы заменить кремний в фотоэлементах. На данный момент существует два ведущих конкурента – органические солнечные элементы и перовскит. Органические элементы легче, дешевле и более гибкие, но имеют более низкую эффективность преобразования. Скорее всего, они найдут коммерческое применение, но, скорее всего, в качестве дополнения, а не замены жестких фотоэлектрических панелей. Перовскитные солнечные элементы, как правило, считаются вероятными наследниками индустрии солнечных панелей. Но эту технологию сложно усовершенствовать.
Солнечные элементы из перовскита могут быть намного тоньше кремниевых, при этом в качестве кремниевых элементов используется всего 1% исходного материала. Их также можно изготавливать при комнатной температуре, поэтому они намного дешевле в производстве. Но, пожалуй, самое главное, что солнечные элементы из перовскита имеют более высокий верхний предел эффективности преобразования. Однозначного показателя для этого нет, в зависимости от конкретного типа используемого перовскита (название “перовскит” относится к типу керамики с такой же кристаллической структурой, но в основном содержащей титанат кальция), но уже есть оценки эффективности выше 40%. Это было бы колоссальным достижением, которое почти удвоило бы существующую коммерческую эффективность при использовании более тонких, легких и дешевых панелей.
Но остаются технические трудности, в основном из-за долговременной стабильности перовскита. Он имеет свойство разрушаться со временем под воздействием солнечного света и кислорода. Кристаллы также полиморфны, и одна из форм кристаллической структуры не преобразует свет в электричество. Однако в ходе недавнего исследования был найден способ стабилизировать эффективную кристаллическую структуру и свести к минимуму превращение в неактивную структуру.
Тем не менее, по этой причине кажется, что коммерческий сектор фотоэлектрической промышленности быстро движется в направлении тандемных солнечных элементов из кремния и перовскита. Это могут быть солнечные панели следующего десятилетия или около того, пока их место не займет усовершенствованный органический, чистый перовскит или что-то другое.
Одна из компаний, Oxford PV, планирует в этом году начать серийный выпуск кремний-перовскитных тандемных солнечных элементов с эффективностью преобразования 27%. Это значительно больше, чем у существующих коммерческих солнечных элементов, при ожидаемом снижении стоимости на 15%. Другие компании планируют выпускать тандемные солнечные элементы, начиная с 2025 года. Я уже много лет слежу за историей перовскита, и это то, что я искал – коммерческий выпуск перовскитовых панелей (а не просто очередной лабораторный прорыв). Появление на рынке более качественных и дешевых панелей, вероятно, преобразит отрасль, и многие предсказывают, что это будет солнечная панель следующего десятилетия. Одна из причин, по которой тандемные панели более эффективны, заключается в том, что они дополняют друг друга – перовскит лучше поглощает ультрафиолетовый свет, в то время как кремний лучше поглощает красный.
Мы также можем ожидать продолжения постепенных улучшений в этом отношении. В лаборатории количество тандемных солнечных элементов уже превысило 30% (я вижу до 32,5%), что превышает теоретический предел только для кремния. Теоретический верхний предел для тандемных солнечных элементов может достигать 45%. Чем больше будет снижаться цена на солнечные панели в расчете на произведенную энергию, тем выше будет спрос. Вскоре может наступить момент, когда владельцы домов не смогут позволить себе отказаться от установки солнечных батарей на крыше и будут продолжать платить высокие цены за электроэнергию.
Как я уже говорил ранее, при рассмотрении всей энергетической инфраструктуры возникает множество движущихся частей. Вы не можете просто добавить солнечные панели и предположить, что все это будет работать. Но мы знаем, что нужно сделать, и у нас есть технология. Нам необходимо модернизировать электрические сети, убедиться, что законы о сетевом учете благоприятствуют распределенному производству солнечной энергии, добавить сетевые хранилища и позволить электромобилям выполнять функцию интеллектуального резервного аккумулятора. В течение следующих 10-15 лет мы можем увеличить мощность солнечной энергии до 20-30%. Добавьте сюда ветровую, ядерную, гидроэнергетическую и геотермальную энергию, и мы сможем постепенно отказаться от ископаемого топлива к 2050 году.
