Большинство солнечных панелей, покрывающих крыши, поля и пустыни мира сегодня, используют один и тот же ингредиент: кристаллический кремний. Материал, изготовленный из необработанного поликремния, формируется в пластины и подключается к солнечным элементам, устройствам, которые преобразуют солнечный свет в электричество. В последнее время зависимость отрасли от этой уникальной технологии стала своего рода обузой. Узкие места в цепочке поставокзамедляютсяновые солнечные установки по всему миру. Основные поставщики поликремния в китайском регионе Синьцзян —обвиняется в использовании принудительного труда уйгуров— подвергаются торговым санкциям США.
К счастью, кристаллический кремний — не единственный материал, который может помочь использовать энергию солнца. В Соединенных Штатах ученые и производители работают над расширением производства солнечной технологии на основе теллурида кадмия. Теллурид кадмия — это тип «тонкопленочного» солнечного элемента, и, как следует из названия, он намного тоньше традиционного кремниевого элемента. Сегодня панели, использующие теллурид кадмияпоставка около 40 процентоврынка коммунальных услуг США и около 5 процентов мирового рынка солнечной энергетики. И они выиграют от встречных ветров, с которыми сталкивается более широкая солнечная промышленность.
«Это очень нестабильное время, особенно для цепочки поставок кристаллического кремния в целом», — сказала Келси Госс, аналитик по исследованиям в области солнечной энергетики в консалтинговой группе Wood Mackenzie. «У производителей теллурида кадмия есть большой потенциал занять большую долю рынка в следующем году». Особенно, отметила она, поскольку сектор теллурида кадмия уже масштабируется.
В июне производитель солнечных батарей First Solar заявил, чтоинвестировать 680 миллионов долларовна третьем заводе по производству солнечных батарей из теллурида кадмия на северо-западе Огайо. Когда объект будет достроен в 2025 году, компания сможет производить в этом районе солнечные панели мощностью 6 гигаватт. Этого достаточно, чтобы обеспечить электроэнергией около 1 миллиона американских домов. Другая компания по производству солнечных батарей из Огайо, Toledo Solar, недавно вышла на рынок и производит панели из теллурида кадмия для жилых крыш. А в июне Министерство энергетики США и его Национальная лаборатория возобновляемой энергии (NREL)запустили программу стоимостью 20 миллионов долларовускорить исследования и расширить цепочку поставок теллурида кадмия. Одна из целей программы — помочь оградить рынок солнечной энергетики США от глобальных ограничений поставок.
Исследователи из NREL и First Solar, ранее называвшейся Solar Cell Inc., работали вместе с начала 1990-х годов над разработкойтехнология теллурида кадмия. Кадмий и теллурид являются побочными продуктами плавки цинковых руд и очистки меди соответственно. В то время как кремниевые пластины соединяются вместе для изготовления ячеек, кадмий и теллурид наносятся тонким слоем — примерно в одну десятую диаметра человеческого волоса — на оконное стекло вместе с другими электропроводящими материалами. First Solar, в настоящее время крупнейший в мире производитель тонких пленок, поставляет панели для солнечных установок в 45 стран.
По словам ученого NREL Лореллы Мэнсфилд, эта технология имеет определенные преимущества по сравнению с кристаллическим кремнием. Например, тонкопленочный процесс требует меньше материалов, чем подход на основе пластин. Тонкопленочная технология также хорошо подходит для использования в гибких панелях, например, тех, которые покрывают рюкзаки или дроны или интегрируются в фасады зданий и окна. Важно отметить, что тонкопленочные панели лучше работают при высоких температурах, в то время как кремниевые панели могут перегреваться и становиться менее эффективными при выработке электроэнергии, сказала она.
Но кристаллический кремний имеет преимущество в других областях, таких как их средняя эффективность — то есть процент солнечного света, который панели поглощают и преобразуют в электричество. Исторически кремниевые панели имели более высокую эффективность, чем технология теллурида кадмия, хотя разрыв сокращается. Сегодняшние промышленно производимые кремниевые панели могут достигать эффективности18–22 процента, в то время как First Solar сообщила о средней эффективности своих новейших коммерческих панелей в 18 процентов.
Тем не менее, главная причина, по которой кремний доминирует на мировом рынке, относительно проста. «Все сводится к стоимости», — сказал Госс. «Рынок солнечной энергетики, как правило, в значительной степени движим самой дешевой технологией».
Кристаллический кремний стоит около 0,24–0,25 долл. США для производства каждого ватта солнечной энергии, что меньше, чем у других конкурентов, сказала она. First Solar заявила, что больше не сообщает о стоимости за ватт для производства своих панелей из теллурида кадмия, только то, что расходы «значительно снизились» с 2015 года — когда компаниязаявленная стоимость составляет 0,46 долл. США за ватт— и продолжают падать каждый год. Есть несколько причин относительной дешевизны кремния. Исходный материал поликремний, который также используется в компьютерах и смартфонах, более широкодоступен и недорог, чем поставки кадмия и теллурида. Поскольку заводы по производству кремниевых панелей и связанных с ними компонентов расширялись, общие затраты на производство и установку технологии снизились. Китайское правительство также в значительной степениподдерживаемый и субсидируемыйсектор солнечной энергетики в стране — настолько, чтооколо 80 процентовчасть мировой цепочки поставок солнечной энергетики теперь проходит через Китай.
Падение стоимости панелей привело к глобальному солнечному буму. За последнее десятилетие общая установленная мощность солнечных батарей в мире выросла почти в десять раз, с примерно 74 000 мегаватт в 2011 году до почти 714 000 мегаватт в 2020 году.в соответствии сМеждународное агентство по возобновляемым источникам энергии. На долю США приходится около одной седьмой части от общего объема в мире, и солнечная энергия в настоящее времяодин из крупнейших источниковновых мощностей по производству электроэнергии, устанавливаемых в США каждый год.
Ожидается, что стоимость одного ватта теллурида кадмия и других тонкопленочных технологий также будет снижаться по мере расширения производства.First Solar говорит(Когда откроется новый объект в Огайо, компания обеспечит самую низкую стоимость за ватт на всем рынке солнечной энергии.) Но стоимость — не единственный важный показатель, о чем свидетельствуют текущие проблемы в цепочке поставок и проблемы с рабочей силой в отрасли.
Генеральный директор First Solar Марк Видмар сказал, что запланированное компанией расширение на 680 миллионов долларов является частью более масштабных усилий по созданию самодостаточной цепочки поставок и «отделению» солнечной промышленности США от Китая. Хотя панели из теллурида кадмия не используют поликремний, First Solar ощутила и другие проблемы, с которыми сталкивается отрасль, такие как вызванные пандемией задержки в морской судоходной отрасли. В апреле First Solar сообщила инвесторам, что перегруженность американских портов задерживает поставки панелей с ее предприятий в Азии. Увеличение производства в США позволит компании использовать для доставки своих панелей автомобильные и железные дороги, а не грузовые суда, сказал Видмар. А существующая программа компании по переработке своих солнечных панелей позволяет ей многократно повторно использовать материалы, что еще больше снижает ее зависимость от иностранных цепочек поставок и сырья.
Пока First Solar штампует панели, ученые как в компании, так и в NREL продолжают тестировать и совершенствовать технологию теллурида кадмия. В 2019 году партнерыразработали новый подходчто включает в себя «легирование» тонкопленочных материалов медью и хлором для достижения еще более высокой эффективности. Ранее в этом месяце NRELобъявили результаты25-летнего полевого испытания на открытом воздухе в Голдене, штат Колорадо. 12-панельная матрица из теллурида кадмия работала на 88 процентах от своей первоначальной эффективности, что является хорошим результатом для панели, которая находилась на открытом воздухе более двух десятилетий. Согласно пресс-релизу NREL, деградация «соответствует тому, что делают кремниевые системы».
Мэнсфилд, ученый из NREL, сказала, что цель не в том, чтобы заменить кристаллический кремний теллуридом кадмия или сделать одну технологию превосходящей другую. «Я думаю, что на рынке есть место для всех них, и у каждой есть свое применение», — сказала она. «Мы хотим, чтобы вся энергия шла из возобновляемых источников, поэтому нам действительно нужны все эти различные типы технологий, чтобы справиться с этой задачей».
Время публикации: 17-сен-2021