Сегодня большинство солнечных панелей, покрывающих крыши, поля и пустыни мира, имеют один и тот же ингредиент: кристаллический кремний.Материал, изготовленный из необработанного поликремния, превращается в пластины и подключается к солнечным элементам, устройствам, которые преобразуют солнечный свет в электричество.В последнее время зависимость отрасли от этой уникальной технологии стала чем-то вроде ответственности.Узкие места цепочки поставокзамедляютсяновых солнечных установок по всему миру.Основные поставщики поликремния в китайском регионе Синьцзян —обвиняется в использовании принудительного труда уйгуров— столкнулись с торговыми санкциями США.
К счастью, кристаллический кремний — не единственный материал, который может помочь использовать солнечную энергию.В Соединенных Штатах ученые и производители работают над расширением производства солнечной технологии на основе теллурида кадмия.Теллурид кадмия представляет собой тип «тонкопленочного» солнечного элемента, и, как следует из названия, он намного тоньше, чем традиционный кремниевый элемент.Сегодня панели с использованием теллурида кадмияпоставка около 40 процентоврынка коммунальных услуг США и около 5 процентов мирового рынка солнечной энергии.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», — сказал Келси Госс, аналитик по солнечным исследованиям из консалтинговой группы по энергетике Wood Mackenzie.«У производителей теллурида кадмия есть большой потенциал для увеличения доли рынка в следующем году».Особенно, отметила она, поскольку сектор теллурида кадмия уже расширяется.
В июне производитель солнечной энергии First Solar заявил, чтоинвестировать 680 миллионов долларовна третьем заводе по производству солнечных батарей из теллурида кадмия на северо-западе Огайо.Когда объект будет завершен в 2025 году, компания сможет производить в этом районе солнечные панели мощностью 6 гигаватт.Этого достаточно для питания примерно 1 миллиона американских домов.Другая солнечная компания из Огайо, Toledo Solar, недавно вышла на рынок и производит панели из теллурида кадмия для крыш жилых домов.А в июне Министерство энергетики США и его Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии, или NREL,запустил программу на 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 рафинирования меди соответственно.В то время как кремниевые пластины соединяются вместе, образуя ячейки, кадмий и теллурид наносят тонким слоем — около одной десятой диаметра человеческого волоса — на оконное стекло вместе с другими токопроводящими материалами.First Solar, в настоящее время крупнейший в мире производитель тонкой пленки, поставляет панели для солнечных установок в 45 странах.
По словам ученого NREL Лорелл Мэнсфилд, технология имеет определенные преимущества перед кристаллическим кремнием.Например, тонкопленочный процесс требует меньше материалов, чем подход на основе пластин.Тонкопленочная технология также хорошо подходит для использования в гибких панелях, таких как те, которые покрывают рюкзаки или дроны, или встраиваются в фасады и окна зданий.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 сложилось так, что кремниевые панели имели более высокую эффективность, чем технология теллурида кадмия, хотя разрыв сокращается. Сегодня кремниевые панели промышленного производства могут достигать эффективностиот 18 до 22 процентов, в то время как First Solar сообщила о средней эффективности своих новейших коммерческих панелей на уровне 18 процентов.
Тем не менее, основная причина, по которой кремний доминирует на мировом рынке, относительно проста.«Все упирается в стоимость», — сказал Госс.«Рынок солнечной энергии, как правило, сильно зависит от самых дешевых технологий».
По ее словам, кристаллический кремний стоит от 0,24 до 0,25 доллара за каждый ватт солнечной энергии, что меньше, чем у других претендентов.First Solar заявила, что больше не сообщает о затратах на ватт для производства своих панелей из теллурида кадмия, только то, что затраты «значительно снизились» с 2015 года, когда компаниязаявленные затраты 0,46 доллара за ватт— и продолжают падать с каждым годом.Есть несколько причин относительной дешевизны кремния.Поликремний в качестве сырья, который также используется в компьютерах и смартфонах, более доступен и недорог, чем запасы кадмия и теллурида.По мере расширения заводов по производству кремниевых панелей и связанных с ними компонентов общие затраты на изготовление и установку технологии снизились.Китайское правительство также активноподдерживается и субсидируетсясектор кремниевой солнечной энергетики страны — настолько, чтооколо 80 процентовчасть мировой цепочки поставок для производства солнечной энергии теперь проходит через Китай.
Падение стоимости панелей привело к глобальному солнечному буму.За последнее десятилетие общая установленная солнечная мощность в мире увеличилась 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 Соединенные Штаты приходится около одной седьмой части всего мира, а солнечная энергия в настоящее времяодин из крупнейших источниковновых электрических мощностей, устанавливаемых в США каждый год.
Аналогичным образом ожидается, что стоимость ватта теллурида кадмия и других тонкопленочных технологий будет снижаться по мере расширения производства.(Первый солнечный говоритчто, когда ее новое предприятие в Огайо откроется, компания обеспечит самую низкую цену за ватт на всем рынке солнечной энергии.) Но стоимость — не единственный показатель, который имеет значение, как ясно показывают текущие проблемы с цепочкой поставок в отрасли и проблемы с рабочей силой.
Марк Видмар, генеральный директор First Solar, сказал, что запланированное расширение компании на 680 миллионов долларов является частью более масштабных усилий по созданию самодостаточной цепочки поставок и «отделению» солнечной промышленности США от Китая.Хотя в панелях из теллурида кадмия не используется поликремний, First Solar столкнулась с другими проблемами, с которыми сталкивается отрасль, такими как вызванные пандемией отставания в отрасли морского судоходства.В апреле First Solar сообщила инвесторам, что заторы в американских портах задерживают поставки панелей с ее предприятий в Азии.По словам Видмара, увеличение производства в США позволит компании использовать автомобильные и железные дороги для перевозки панелей, а не грузовые суда.А существующая программа компании по переработке солнечных панелей позволяет ей многократно повторно использовать материалы, что еще больше снижает ее зависимость от зарубежных цепочек поставок и сырья.
Пока First Solar выпускает панели, ученые компании и NREL продолжают тестировать и совершенствовать технологию теллурида кадмия.В 2019 году партнерыразработал новый подходэто включает «легирование» тонкопленочных материалов медью и хлором для достижения еще более высокой эффективности.Ранее в этом месяце NRELобъявил результаты25-летнего полевого испытания на открытом объекте в Голдене, штат Колорадо.Массив из 12 панелей из теллурида кадмия работал с эффективностью 88 процентов от первоначальной, что является хорошим результатом для панели, которая простояла снаружи более двух десятилетий.Деградация «соответствует тому, что делают кремниевые системы», согласно выпуску NREL.
Мэнсфилд, ученый из NREL, сказал, что цель состоит не в том, чтобы заменить кристаллический кремний теллуридом кадмия или сделать одну технологию лучше другой.«Я думаю, что на рынке есть место для всех них, и у каждого из них есть свои приложения», — сказала она.«Мы хотим, чтобы вся энергия поступала из возобновляемых источников, поэтому нам действительно нужны все эти различные типы технологий, чтобы справиться с этой задачей».
Время публикации: 17 сентября 2021 г.