Большинство солнечных панелей, покрывающих крыши домов, поля и пустыни по всему миру, сегодня состоят из одного и того же ингредиента: кристаллического кремния. Материал, изготовленный из необработанного поликремния, формуется в пластины и подключается к солнечным элементам — устройствам, преобразующим 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. Крупнейшие поставщики поликремния в китайском регионе Синьцзян —обвиняется в использовании принудительного труда уйгуров— сталкиваются с торговыми санкциями США.
К счастью, кристаллический кремний — не единственный материал, который может помочь использовать солнечную энергию. В США ученые и производители работают над расширением производства солнечной технологии из теллурида кадмия. Теллурид кадмия представляет собой тип «тонкопленочного» солнечного элемента, и, как следует из названия, он намного тоньше традиционного кремниевого элемента. Сегодня панели с использованием теллурида кадмияпоставка около 40 процентоврынка коммунальных услуг США и около 5 процентов мирового рынка солнечной энергии. И они выиграют от препятствий, с которыми сталкивается более широкая солнечная индустрия.
«Это очень нестабильное время, особенно для цепочки поставок кристаллического кремния в целом», — сказала Келси Госс, аналитик по исследованиям солнечной энергии энергетической консалтинговой группы Wood Mackenzie. «У производителей теллурида кадмия есть большой потенциал занять большую долю рынка в следующем году». Тем более, отметила она, что сектор теллурида кадмия уже расширяется.
В июне производитель солнечной энергии First Solar заявил, что будетинвестировать 680 миллионов долларовна третьем солнечном заводе по производству 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, чтобы обеспечить электроэнергией примерно 1 миллион 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 (NREL)запустил программу стоимостью 20 миллионов долларовускорить исследования и расширить цепочку поставок теллурида кадмия. Одна из целей программы — помочь оградить рынок солнечной энергии США от глобальных ограничений поставок.
Исследователи из NREL и First Solar, ранее называвшейся Solar Cell Inc., с начала 1990-х годов работали вместе 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 клетки, кадмий и теллурид наносятся тонким слоем — примерно в одну десятую диаметра человеческого волоса — на оконное стекло вместе с другими электропроводящими материалами. Компания First Solar, крупнейший в мире производитель тонких пленок, поставила панели для солнечных установок в 45 стран.
По словам ученого NREL Лорелл Мэнсфилд, эта технология имеет определенные преимущества перед кристаллическим кремнием. Например, для производства тонких пленок требуется меньше материалов, чем для производства пластин. Технология тонких пленок также хорошо подходит для использования в гибких панелях, например, 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 в 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 этот разрыв сокращается. Сегодняшние промышленно производимые кремниевые панели могут достигать эффективностиот 18 до 22 процентов, в то время как компания First Solar сообщила о средней эффективности своих новейших коммерческих панелей в 18 процентов.
Тем не менее, основная причина доминирования кремния на мировом рынке относительно проста. «Все сводится к стоимости», — сказал Госс. «Рынок солнечной энергии, как правило, в значительной степени ориентирован на самые дешевые технологии».
По ее словам, кристаллический кремний стоит от 0,24 до 0,25 доллара за производство каждого ватта солнечной энергии, что меньше, чем у других конкурентов. Компания First Solar заявила, что больше не сообщает стоимость ватта при производстве панелей из теллурида кадмия, а лишь сообщает, что затраты «значительно снизились» с 2015 года, когда компаниязаявленная стоимость 0,46 доллара за ватт— и продолжают падать с каждым годом. Есть несколько причин относительной дешевизны кремния. Сырьевой материал поликремний, который также используется в компьютерах и смартфонах, более доступен и недорог, чем кадмий и теллурид. По мере расширения масштабов производства кремниевых панелей и сопутствующих компонентов общие затраты на изготовление и установку технологии снизились. Китайское правительство также активноподдерживается и субсидируетсякремниевый солнечный сектор страны — настолько, чтооколо 80 процентовОдна из мировых цепочек поставок солнечной энергии теперь проходит через Китай.
Падение цен на панели привело к глобальному солнечному буму. За последнее десятилетие общая установленная мощность солнечной энергии 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 общемирового объема, а солнечная энергия в настоящее времяодин из крупнейших источниковновых электроэнергетических мощностей, устанавливаемых в США каждый год.
Ожидается, что стоимость ватта теллурида кадмия и других технологий тонких пленок будет снижаться по мере расширения производства. (Первая Солнечная говоритчто, когда откроется новый завод в Огайо, компания обеспечит самую низкую стоимость ватта на всем рынке солнечной энергии.) Но стоимость — не единственный показатель, который имеет значение, как ясно показывают текущие проблемы с цепочками поставок в отрасли и проблемы с трудом.
Марк Видмар, генеральный директор First Solar, заявил, 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, компания First Solar почувствовала и другие проблемы, стоящие перед отраслью, такие как вызванные пандемией отставания в отрасли морского судоходства. В апреле компания First Solar сообщила инвесторам, что из-за перегруженности американских портов поставки панелей с ее предприятий в Азии задерживаются. Увеличение производства в США позволит компании использовать автомобильные и железные дороги для доставки панелей, а не грузовые суда, сказал Видмар. А существующая программа переработки солнечных панелей компании позволяет ей многократно использовать материалы, что еще больше снижает ее зависимость от иностранных цепочек поставок и сырья.
Пока First Solar производит панели, ученые компании и NREL продолжают тестировать и совершенствовать технологию теллурида кадмия. В 2019 году партнерыразработал новый подходэто предполагает «легирование» тонкопленочных материалов медью и хлором для достижения еще более высокой эффективности. Ранее в этом месяце NRELобъявил результаты25-летних полевых испытаний на открытом воздухе в Голдене, штат Колорадо. Массив из 12 панелей из теллурида кадмия работал с 88 процентами своей первоначальной эффективности, что является хорошим результатом для панели, которая простояла снаружи более двух десятилетий. Согласно сообщению NREL, деградация «соответствует тому, что делают кремниевые системы».
Мэнсфилд, ученый NREL, сказал, что цель не в том, чтобы заменить кристаллический кремний теллуридом кадмия или сделать одну технологию превосходящей другую. «Я думаю, что каждому из них найдется место на рынке, и у каждого из них есть свое применение», — сказала она. «Мы хотим, чтобы вся энергия поступала в возобновляемые источники, поэтому нам действительно нужны все эти различные типы технологий, чтобы решить эту задачу».
Время публикации: 17 сентября 2021 г.