Сонячна енергетика: порядок денний для світу й України

У статті зроблено огляд відновлюваної енергетики на основі фотовольтаїчних перетворювачів у світі й Україні. Проаналізовано досягнення вітчизняних учених у галузі фізики напівпровідників, а також перспективи розвитку в нашій країні сучасної індустрії виробництва «сонячного» кремнію. Наголошено на не...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :	Вісник НАН України
Дата:	2011
Автори:	Мачулін, В., Литовченко, В., Стріха, М.
Формат:	Стаття
Мова:	Ukrainian
Опубліковано:	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2011
Теми:	Енергоресурс
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/28765
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Сонячна енергетика: порядок денний для світу й України / В. Мачулін, В. Литовченко, М. Стріха // Вісн. НАН України. — 2011. — № 5. — С. 30-39. — Бібліогр.: 19 назв. — укр.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-28765
record_format	dspace
spelling	Мачулін, В. Литовченко, В. Стріха, М. 2011-11-22T21:30:47Z 2011-11-22T21:30:47Z 2011 Сонячна енергетика: порядок денний для світу й України / В. Мачулін, В. Литовченко, М. Стріха // Вісн. НАН України. — 2011. — № 5. — С. 30-39. — Бібліогр.: 19 назв. — укр. 0372-6436 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/28765 У статті зроблено огляд відновлюваної енергетики на основі фотовольтаїчних перетворювачів у світі й Україні. Проаналізовано досягнення вітчизняних учених у галузі фізики напівпровідників, а також перспективи розвитку в нашій країні сучасної індустрії виробництва «сонячного» кремнію. Наголошено на необхідності державної підтримки досліджень у сфері енергетики, базованої на прямому перетворенні сонячного випромінювання на електроенергію. The article surveys a world and Ukrainian renewable energy based on photovoltaic transformators. The home scientific obtainings in the field of semiconductors physics and the prospects of home «solar» silicon production are analyzed. The necessity of state supporting within energetics based on solar irradiation direct transformation to electricity is accentuated. uk Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Вісник НАН України Енергоресурс Сонячна енергетика: порядок денний для світу й України Solar energy: an agenda for world and Ukraine Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Сонячна енергетика: порядок денний для світу й України
spellingShingle	Сонячна енергетика: порядок денний для світу й України Мачулін, В. Литовченко, В. Стріха, М. Енергоресурс
title_short	Сонячна енергетика: порядок денний для світу й України
title_full	Сонячна енергетика: порядок денний для світу й України
title_fullStr	Сонячна енергетика: порядок денний для світу й України
title_full_unstemmed	Сонячна енергетика: порядок денний для світу й України
title_sort	сонячна енергетика: порядок денний для світу й україни
author	Мачулін, В. Литовченко, В. Стріха, М.
author_facet	Мачулін, В. Литовченко, В. Стріха, М.
topic	Енергоресурс
topic_facet	Енергоресурс
publishDate	2011
language	Ukrainian
container_title	Вісник НАН України
publisher	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
format	Article
title_alt	Solar energy: an agenda for world and Ukraine
description	У статті зроблено огляд відновлюваної енергетики на основі фотовольтаїчних перетворювачів у світі й Україні. Проаналізовано досягнення вітчизняних учених у галузі фізики напівпровідників, а також перспективи розвитку в нашій країні сучасної індустрії виробництва «сонячного» кремнію. Наголошено на необхідності державної підтримки досліджень у сфері енергетики, базованої на прямому перетворенні сонячного випромінювання на електроенергію. The article surveys a world and Ukrainian renewable energy based on photovoltaic transformators. The home scientific obtainings in the field of semiconductors physics and the prospects of home «solar» silicon production are analyzed. The necessity of state supporting within energetics based on solar irradiation direct transformation to electricity is accentuated.
issn	0372-6436
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/28765
citation_txt	Сонячна енергетика: порядок денний для світу й України / В. Мачулін, В. Литовченко, М. Стріха // Вісн. НАН України. — 2011. — № 5. — С. 30-39. — Бібліогр.: 19 назв. — укр.
work_keys_str_mv	AT mačulínv sonâčnaenergetikaporâdokdenniidlâsvítuiukraíni AT litovčenkov sonâčnaenergetikaporâdokdenniidlâsvítuiukraíni AT stríham sonâčnaenergetikaporâdokdenniidlâsvítuiukraíni AT mačulínv solarenergyanagendaforworldandukraine AT litovčenkov solarenergyanagendaforworldandukraine AT stríham solarenergyanagendaforworldandukraine
first_indexed	2025-11-27T08:01:34Z
last_indexed	2025-11-27T08:01:34Z
_version_	1850807237368348672
fulltext	30 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2011, № 5 Енергоресурс В. Мачулін, В. Литовченко, М. Стріха СОНЯЧНА ЕНЕРГЕТИКА: ПОРЯДОК ДЕННИЙ ДЛЯ СВІТУ Й УКРАЇНИ Механізми глобальних кліматичних змін і досі виступають предметом диску- сії фахівців. Єдиним достовірним фактом уважають те, що протягом мину- лого сторіччя середня температура земної поверхні зросла приблизно на гра- дус Цельсія, причому половина цього підвищення припала на півтора останні десятиліття. Імовірна причина екологічних змін — енергетичні перевитрати людства, у яких «винна» головним чином теплова енергетика, базована на спалюванні запасів органічних речовин, які природа накопичила за мільйони років існування органічного життя. Саме вона насичує атмосферу вуглекисло- тою, сірководнем, іншими шкідливими викидами, що спричиняють парниковий ефект. За прогнозами вчених, ключову роль у розв’язанні енергетичної пробле- ми мають зіграти галузі, котрі розвивають альтернативні джерела енергії, зокрема сонячна енергетика. © МАЧУЛІН Володимир Федорович. Академік НАН України. Директор Інституту фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України. Голова Наукової ради з проблеми «Фізика напівпровідників та напів- провідникові пристрої». ЛИТОВЧЕНКО Володимир Григорович. Член-кореспондент НАН України. Завідувач відділення фізики поверхні та мікроелектроніки цього ж інституту. Президент Українського фізичного товариства. СТРІХА Максим Віталійович. Доктор фізико-математичних наук. Головний науковий співробітник цьо- го ж інституту (Київ). 2011. АЛЬТЕРНАТИВИ ТРАДИЦІЙНІЙ ЕНЕРГЕТИЦІ Г лобальне потепління, що викликає та- нення льодовиків, може мати низку за- грозливих наслідків, наприклад, підвищен- ня рівня Світового океану. Експертні оцін- ки IPCC (Міжурядової ради з кліматичних змін) щодо абсолютних показників цього підвищення до 2100 р. коливаються від 18– 59 см («помірний» сценарій) до 80–200 («катастрофічний» сценарій, що призведе до затоплення значних площ суходолу і на- віть зникнення цілих острівних держав, та- ких як Мальдіви чи Тувалу, а також по- всюдних радикальних змін клімату) [1]. У будь-якому випадку потепління дістане ха- рактер «ланцюгової реакції»: нагріті океа- нічні води викидатимуть в атмосферу ве- личезні маси розчиненого в них вуглекис- лого газу, через що зросте температура. Негативні кліматичні метаморфози заче- пили й Україну. На часі зміна традиційних ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2011, № 5 31 технологій землеробства, зокрема перехід до поливного рільництва в посушливих зонах, нове районування багатьох сільськогоспо- дарських культур, що потребує великих і ско- ординованих зусиль на державному рівні. Ще одним тривожним «дзвіночком» стає по- ява організмів, характерних раніше тільки для Причорномор’я (у тому числі й небез- печних каракуртів), на широті півночі Лісо- степу (Черкащина і південна Київщина). Протидії глобальним змінам клімату було присвячено вже кілька самітів країн- світових лідерів. При цьому пошуки шля- хів розв’язання цих проблем традиційно наражаються на спротив держав з потуж- ною теп ловою енергетикою і металургією (США, Китай, Індія тощо), для яких обме- ження викидів стане дуже витратним, сут- тєво обмежить економічну конкуренто- спроможність. Однак, попри перешкоди, механізм Кіотського протоколу набув чин- ності. Низка держав (не лише розвинених, а дедалі частіше й так званого «третього світу») здійснює найсерйозніші кроки для заміни традиційної теплової енергетики альтернативною, зокрема й базованою на сонячній енергії з її перетворенням в елек- тричну (фотовольтаїка). Паралельно домагаються повнішого ви- користання тепла, яке створює людина (скажімо, з допомогою теплових насосів), упровадження альтернативного палива (біо- газ, солома, сміття, дизельне паливо з олій- них культур тощо — хоч це лише частково зарадить бідним на викопне паливо краї- нам і не усуне загрози глобального поте- пління). Повсюдними стали суворі заходи з енергоощадження, здійснювані як гігант- ськими виробництвами, так і окремими до- могосподарствами, а також запровадження нових очисних технологій. У низці випад- ків це вже радикально змінило структуру енергоспоживання (рис. 1). За прогнозами експертів, упродовж най- ближчих десятиліть достатньо інтенсивно розвиватиметься й атомна енергетика — найбільш реальний конкурент тепловій. Але з цією галуззю пов’язані очевидні ри- зики: небезпека масштабних аварій (ми, українці, переживши наслідки катастрофи Рис. 1. Перспектива використання різних видів енергії до 2100 р. 32 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2011, № 5 на Чорнобильській АЕС, відчуваємо її осо- бливо гостро, а нещодавня трагедія на стан- ції Фукусіма-1 посилила тривогу в усьому світі), а також неврегульованість довго- строкового зберігання радіоактивних від- ходів. Крім того, ця енергетика також не- відтворювана, а запасів атомного палива вистачить на обмежений період. Уже сьо- годні помітний дефіцит паливного урану. До того ж, не продукуючи шкідливого вуг- лекислого газу, АЕС викликає велике «те- плове» забруднення довкілля, а розвиток атомної енергетики в Україні стримує, зо- крема, брак водних ресурсів для ставків- охолоджувачів. Очевидно, що розв’язання енергетичної проблеми ґрунтуватиметься на комбінації всіх перелічених інструментів, причому кон- кретні сценарії в кожній країні варіювати- муться залежно від кліматичної зони, ресур- сів, стану економіки. Проте енергетиці, ба- зованій на прямому перетворенні сонячного випромінювання на електроенергію, нале- жить унікальне й універсальне місце. Адже найпотужніше джерело енергії, доступне для нашої планети, — випромінювання Сон- ця (це розуміли ще в давньому Єгипті, де світило мало статус божества, рис. 2). При- рода завбачливо розташувала за 150 млн км від Землі цей термоядерний «реактор». Його енергії вистачить принаймні на 4 млрд років, причому вона не дає не лише хімічно- го, але й теплового забруднення: відбуваєть- ся тільки перерозподіл тієї енергії, що й так падає на земну поверхню з космосу. Чільні країни форсовано розвивають усякі форми використання сонячної енергії (зокрема, споруджують велику кількість ві- троелектростанцій різної потужності). Пер- спективні також напівпровідникові фото- елементи, які напряму перетворюють енер- гію денного світила на зручну для викорис- тання електричну. Протягом останніх десятиліть технологія сонячних перетворювачів інтенсивно роз- вивалася. Панелі сонячних батарей було встановлено вже на третьому радянському супутнику, виведеному на орбіту 15 трав- ня 1958 р., відтоді вони стали обов’язковим атрибутом усіх космічних апаратів. Сьогод- ні ці батареї, образно кажучи, спустилися з космосу на землю і надійно ввійшли в по- бут, будучи ідеальними джерелами енерго- постачання для окремих домогосподарств, а також надійно працюючи в найрізноманітні- ших автономних пристроях побутової елек- троніки. Достатньо добре налагоджено на- копичення виробленої упродовж світлового часу «сонячної» електрики. Сонячні батареї «рухають» різноманітні транспортні агрега- ти, причому вже не тільки автомобілі й чов- ни, але й експериментальні зразки літаків. На черзі — «велика» сонячна енергети- ка, що працюватиме для промисловості й забезпечення життєдіяльності міст. Готую- чись до цієї перспективи, США вже сьо- го дні збираються будувати нову систему електростанцій продуктивністю понад 100 МВт/рік (за планами, електростанція в Гіллсборо (штат Орегон) в 2011 р. виробить до 500 МВт, рис. 3) і потужних енергоме- реж — від пустельних штатів Південного Рис. 2. Фараон Ехнатон (ХІV ст. до н.е.) поклоняється божеству-Сонцю (стела з Каїрського музею) ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2011, № 5 33 Заходу зі спекотним кліматом, де спору- дження великих фотовольтаїчних станцій найбільш виправдане, до місць традиційно- го споживання цієї енергії (див. [2]). Значну увагу альтернативним джерелам енергії, зокрема її фотоелектричному пе- ретворенню, приділяє Європейський Союз. У доповіді «Енергетична (р)еволюція: на шляху до постачання повністю відновлюва- ної енергії в ЄС» [3] підкреслено, що комп- лекс наявних технологій, а також широке впровадження електромобілів і скорочене cпоживання уможливлять різкі зміни енерге- тичних витрат. ЄС міг би отримати 92% енергії з понов- люваних джерел (таких як вітрова і сонячна енергія) вже до 2050 р., водночас скоротив- ши викиди вуглекислого газу на 95% порів- няно з 1990 р. Про це йдеться в доповіді ор- ганізації «Greenpeace International» і Євро- пейської ради з відновлюваної енергетики під назвою «Сценарій енергетичної (р)ево- люції ЄС від Greenpeace на 2050 рік» [4]. Для цього потрібні €2 трлн інвестицій, але ці ви- трати мають компенсувати €2,65 трлн еконо- мії на паливі, стверджують автори доповіді. Прикметно, що сонячна енергетика вже стала в розвинених країнах предметом справжнього стратегічного змагання в нау- ці й технологіях. Університети США що- року борються за найвищий ККД фотопе- ретворювачів, а ралі на «сонячних» автомо- білях через Австралію щороку приносить новий рекорд швидкості (у 1982 р. шлях у 4 тис. км уперше подолали з середньою швид- кістю 30 км/год., нині вона перевищує 90). УКРАЇНА: ПОТЕНЦІАЛ І ЗДОБУТКИ Я к свідчить аналіз, Україна за рівнем ре- ального надходження сонячної енергії Рис. 3. Сучасна мегаватна сонячна електростанція на напівпровідникових перетворювачах (США) 34 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2011, № 5 на одиницю площі (ураховуючи відносно сухий і малохмарний клімат) має добрі перспективи. Наша середня величина інсо- ляції — як на півдні Німеччини або півночі Франції, більша, ніж в Англії чи Скандина- вії, де виробництво й використання «соняч- ної» електроенергії сьогодні в сотні раз пе- ревищує вітчизняне. У цілому ж на рік 1 м2 поверхні на широті півдня України отри- мує 1900 кВт енергії сонячного випроміню- вання (на екваторі — 2300 кВт). Великі традиції має й наша напівпровід- никова наука. Саме ця галузь скрізь у світі трудиться над конструюванням ефективні- ших перетворювачів. Нагадаємо, що сам p-n перехід між двома областями одного напівпровідника з різним типом провідності, а також явище вентиль- ного фотоефекту на цьому переході (що ле- жить в основі роботи всіх фотоелементів) відкрив у 1941 р. у Києві український уче- ний В.Є. Лашкарьов, чиє ім’я носить Інсти- тут фізики напівпровідників НАН України [5]. На жаль, це відкриття «нобелівського» рівня залишилось тоді майже непоміченим — тривала Друга світова війна, а технологія основних напівпровідників — германію і кремнію — була ще зовсім нерозвинена. З кін. 70-х рр. над створенням ефективних фотовольтаїчних елементів на основі контак- ту металу і дешевого аморфного кремнію ак- тивно працювала група дослідників на радіо- фізичному факультеті Київського універси- тету ім. Т.Г. Шевченка; її очолював учень ака- деміка В.Є. Лашкарьова професор В.І. Стріха [6–8]. Під його керівництвом було розробле- но дуже ефективні кремнієві перетворювачі з високим ККД (близько 20%). Він став і од- ним з перших популяризаторів фотовольтаї- ки в Україні [8, 9]. Приблизно тоді ж в АН УРСР і Київ- ському політехнічному інституті колектив під керівництвом професора А.П. Горбаня й О.М. Шмирьової розпочав створення со- нячних елементів на основі кристалічно- го кремнію з виготовленням р-п переходів, щоб дістати космічні та наземні сонячні ба- тареї [10–13]. Також було отримано соняч- ні перетворювачі з параметрами, близьки- ми до світових. Зокрема, група, яку очолив А.П. Горбань, у межах Національної косміч- ної програми України розробила, виготови- ла і поставила комплекти космічних соняч- них батарей (СБ) з ККД близько 19%, при- значених для енергопостачання космічних апаратів (КА) нового покоління. Ці батареї пройшли повний цикл автономних і ком- плексних випробувань, їх установили на льотному зразку першого українського КА КС5МФ2 «Мікрон», запуск якого відбувся в грудні 2004 р. (рис. 4). На замовлення МНС України було роз- роблено кремнієві СБ підвищеної ефектив- ності, які працюють у складі сонячно- акумуляторних блоків електроживлення професійної дозиметричної та радіометрич- ної апаратури, яку експлуатують у польо- вих умовах. Освоєно малосерійне виробни- цтво цих батарей. На рис. 5 представлено спільну розробку Інституту фізики на- півпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН Ук раїни й Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України — мобільний геліозварювальний апарат, який має широ- Рис. 4. КА КС5МФ2 «Мікрон» і комплект сонячних батарей до нього ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2011, № 5 35 ке застосування (зокрема, і як автономний технологічний центр [14]). Важливим здобутком став також перший і єдиний в Україні атестований Держспо- живстандартом Центр випробувань фото- перетворювачів та фотоелектричних бата- рей (ЦВФФБ), яким користуються і зару- біжні організації. ФОТОВОЛЬТАЇЧНІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ: СУЧАСНИЙ СТАН І ПЕРСПЕКТИВИ Низька концентрація сонячної енергії пе- редбачає покриття фотовольтаїч ними елементами значних площ, а отже, виготов- лення достатньої кількості кремнію для та- ких елементів. Тож постає нагальна потреба в потужній індустрії чистого кремнію, понад половину якого в 2010 р. (54 тис. з понад 100 тис. т) світ скерував саме на потреби со- нячної енергетики. Для продукування со- нячних фотоперетворювачів використову- ють й інші напівпровідники, проте в масово- му виробництві відносно дешевий кремній з його практично невичерпними запасами си- ровини не має і в найближчій перспективі не матиме конкурентів. Провідні країни виготовляють його чим- раз більше. Однак сьогодні утворився де- фіцит чистого кремнію, внаслідок чого в кілька разів підвищилася ринкова ціна на нього. За прогнозами фахівців, світовий від’ємний баланс виробництва кремнію якості, необхідної для сонячних елементів, що склався після 2003 р., зростатиме про- тягом найближчих 10–15 років саме через різке підвищення попиту в зв’язку зі стрім- ким розвитком сонячної енергетики. Усе ще висока вартість напівпровідни- кових фотоперетворювачів — генераторів енергії. Хоча впродовж минулих чотирьох десятиліть завдяки інтенсифікації техноло- гій їх удалося значно здешевити (квадрат- ний метр перетворювачів на кристалічному кремнії коштує €400, на аморфному — 80), генерована ними енергія з урахуванням інсталяції потужностей коштує сьогодні €2–3/кВт (для енергії, отриманої шляхом спалення вугілля, газу чи нафти, цей по- казник становить €0,1÷0,12/кВт). І хоча за органічне паливо треба платити весь час, а «сонячні» потужності потребують нада- лі порівняно невеликих експлуатаційних витрат, висока стартова ціна залишаєть- ся суттєвою економічною і психологічною проблемою для традиційних споживачів. Нарешті, маємо клопоти з недостатнім ко- ефіцієнтом перетворення енергії сонячно- го випромінювання в електричну (15–25% залежно від типу й матеріалу перетворю- вачів). Тут існує верхня теоретична межа, пов’язана з кількістю електрон-діркових пар, народжених в області p-n переходу (чи про- сторового заряду гетеропереходу, контакту метал–напівпровідник або структури метал– діелектрик–напівпровідник), яких може «розвести» внутрішнє електричне поле і які беруть участь у створенні корисної напруги. Як відомо, спектр випромінювання Сон- ця відповідає спектрові випромінювання абсолютно чорного тіла з температурою 5785 К, його максимум припадає на оптич- ну область з довжиною хвилі порядку пів- мікрона. Якщо енергія кванта буде суттє- во більша від ширини забороненої зони на- півпровідника, то породжені ним електрон і дірка непродуктивно «грітимуть» криста- лічну ґратку під час зіткнень з коливання- ми її атомів (фононами). Водночас кванти Рис. 5. Мобільна сонячна електростанція для електро- зварювальних робіт (розробка ІФН НАН України й ІЕЗ НАН України) 36 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2011, № 5 з енергією, меншою від ширини такої зони, електрон-діркових пар взагалі не породжу- ють, тому середнє і далеке інфрачервоне со- нячне випромінювання для кремнієвих фо- топеретворювачів (Eg = 1,1 еВ) «пропадає». До того ж, поле має встигнути «розвести» народжених електрона і дірку в різні боки (прорекомбінувавшися в області просторо- вого заряду, вони не створять корисної на- пруги). Через те верхня межа ККД для зви- чайних кремнієвих перетворювачів стано- вить приблизно 25%. Про способи її підви- щення йтиметься далі. На шляху «великої» сонячної енергети- ки стоїть низка суттєвих технічних пере- шкод. Це перетворення низької напруги, що її продукують фотоперетворювачі (по- рядку 1 В), на зручну для транспортуван- ня електромережами високу; накопичення електроенергії для нічного часу, коли фото- елементи не діють. Існують і апробовані світовою практикою механізми подолання зазначених проблем. Насамперед, це державна грошова підтрим- ка промислового випуску сонячних пере- творювачів. По-друге, дотації за споживан- ня екологічно чистої енергії, як, наприклад, у Німеччині і Скандинавії, де запроваджено спеціальні «зелені» тарифи. Нарешті, роз- ширене фінансування наукових розроблень. У межах амбітної європейської програми «Solar Energy» з 2007 р. на перелічені захо- ди скеровують близько €5 млрд на рік. Як наслідок, сонячна енергетика в Європі зростає величезними темпами — 30–40% на рік, тож ця галузь чи не найдинамічніша в сучасній індустрії. У цілому ж виробни- цтво сонячних батарей у світі зросло про- тягом 1996–2006 рр. у понад 20 разів (рис. 6), а загальна потужність, яку вироб- ляють сонячні батареї, перевищує 20 ГВт. ЯК ПІДВИЩИТИ ККД ФОТОПЕРЕТВОРЮВАЧІВ? І снують декілька шляхів підвищення ефективності напівпровідникових пере- творювачів сонячної енергії на електричну. За складністю їх можна поділити на три ве- ликі групи. По-перше, це конструктивні вдосконалення наявних перетворювачів. До них належить застосування: — рельєфної поверхні напівпровідни- ків сонячних батарей, що збільшує робочу площу на одиницю поверхні, зайнятої бата- реями (рис. 7); — батарей із двосторонніми колекторами (цікаві перспективи відкриває тут викорис- тання електродів з прозорого напівметалу гра- фену, який уже влітку 2010 р. отримали вели- кими аркушами на необхідній підкладці [17]); — антивідбивних пасивувальних і зміц- нювальних покриттів, які допомагають на- ростити частку випромінювання, що про- ходить у напівпровідник; — оптичних концентраторів сонячних по- токів (лінзи Френеля, фасеточна призмово- поворотна оптика тощо); — каскадних сонячних батарей (при цьо- му частину випромінювання, не використа- ну в першому генераторі, можна викорис- тати в наступному і т.д.). Другу групу становлять технологічні вдо- сконалення (і насамперед звернення до нових матеріалів). Тут перспективними слід уважати: — тонкі плівки Si, отримані надвисоко- частотним (∼100 МГц) хімічним осаджуван- ням з парової фази (CVD) на підкладках Рис. 6. Динаміка виробництва сонячних батарей у світі ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2011, № 5 37 органічних плівок, металічних і склоподіб- них підкладках, це економить напівпровід- никовий матеріал у понад 10 разів (техно- логія інтенсивно розвивається з 2007 р.); — багатошарові структури напівпровідни- ків із градієнтом ширини забороненої зони Eg (у бік від «оптичного вікна» до значень, харак- терних для вузькощілинних матеріалів типу сполук кадмій–ртуть–телур), виготовлені як за допомогою молекулярно-про ме невої епі- таксії, так і керованої самоорганізації. Це дає можливість використати для генерування напруги й довгохвильові кванти ІЧ-діа па зо- ну, підвищуючи ККД перетворювача; — органічні напівпровідники, на яких уже зараз ефективність перетворювачів ся- гає 7–10%. Нарешті, можливі й цілком нові принци- пи роботи сонячних батарей, а саме: — батареї на основі квантових надґра- ток (ефективні, бо послуговуються кванта- ми практично всього спектрального діапа- зону сонячного випромінювання, але поки що надто дорогі, хоча їх уже зараз застосо- вують у космічних апаратах); — квантові точки, убудовані в напівді- електричні матриці (цей напрям може вия- витися ефективним разом із загальним роз- витком нанотехнологій); — багатодолинні напівпровідники для ге- нерації гарячих фотоелектронів. Ефективність каскадних батарей з концен- траторами вже становить близько 45% [18]. Дослідження з більшості цих напрямів проводять в Інституті фізики напівпровід- ників ім. В.Є. Лашкарьова, Київському на- ціональному університеті ім. Тараса Шев- ченка, інших провідних академічних інсти- тутах і вищих навчальних закладах. Серед досягнень відзначимо [10, 16]: — загальну теорію фотовольтаїчних пе- ретворювачів, що працюють у режимі кон- центрованого опромінення; — нові принципи створення економіч- них фотоперетворювачів із фасетковими концентраторами; — економічні перетворювачі з кванто- вими кластерами, убудованими в прозору про відну матрицю (полімерну і на основі легованого індієм окису олова). МАЙБУТНЄ УКРАЇНСЬКОГО КРЕМНІЮ Як зазначено, сонячна енергетика осно- вується на чистому кремнії. У колиш- ньому СРСР основний виробничий потен- ціал з полі- і монокристалічного кремнію для електроніки зосереджувався саме на території України. На жаль, на поч. 90-х рр. його було втрачено, а зараз ідеться про від- новлення. Цьому підпорядковано Держав- ну цільову науково-технічну програму «Створен ня хі міко-металургійної галузі виробництва чистого кремнію протягом 2009–2012 років», ухвалену Постановою Кабінету Міністрів № 1173 від 28 жовтня 2009 р. Низку рішень на її виконання при- йняла Президія НАН України [19]. Цю програму очолює Інститут електрозварю- вання ім. Є.О. Патона НАН Ук раїни (коор- динатор — доктор технічних наук В.О. Ша- повалов), до її реалізації залучено більше десятка установ, у тому числі Інститут фі- зики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України. Рис. 7. Сучасний сонячний елемент на основі крем- нію і механізм його дії. Рифлену освітлену поверхню вкрито антивідбивним шаром 38 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2011, № 5 На сьогодні через брак власного крем- нію виробники сонячних елементів — ВАТ «Чисті метали» у Світловодську і низка приватних підприємств у Києві — працю- ють на імпортованій давальницькій сиро- вині (близько 3 тис. т/рік, це помітна част- ка загальносвітового виробництва). Програма ставить завдання створити ін- дустрію чистого кремнію для потреб віт- чизняних виробників високотехнологічної продукції; забезпечити розвиток наноелек- троніки і нанофотоніки, випуск сонячних елементів, сонячних модулів і електронної техніки; звільнитись від імпортної залеж- ності й одночасно сформувати потужний експортний потенціал. Передбачено протягом трьох років від- новити на ВАТ «Завод напівпровідників» (м. Запоріжжя) виробництво чистого крем- нію в обсязі 3000 т/рік з поступовим наро- щуванням до 5000. Сьогодні це слід ува- жати за наймасштабніший вітчизняний інноваційно-інвестиційний проект останніх років з енергетики, що матиме велике май- бутнє. Адже з розробленням і впроваджен- ням комплексної технології відновлення кремнію воднем з хлорумісних сполук ма- тимемо чистий полікристалічний кремній напівпровідникової або «сонячної» якості. Його собівартість €25–35 за кг, а ринкові ціни перевищують її в кілька разів. Реалізація програми на 30% активізує інно- вації в галузі завдяки новітнім технологіям. Сьогодні цей показник у середньому перебу- ває на катастрофічно низькій позначці в кіль- ка відсотків. Програма стимулює розвиток су- часної сонячної енергетики, наноелектроніки, нанофотоніки, мікроелектроніки. Важливим буде й соціальний результат: залучення тру- дових ресурсів, створення робочих місць. Нарешті, завдяки відродженню і виве- денню індустрії чистого кремнію на висо- кий технологічний рівень Україна посяде гідне місце серед його світових виробни- ків; буде задоволено сировинні потреби на- ших компаній, що випускають сонячні мо- дулі й електронну техніку, створено потуж- ний експортний потенціал. Фінансувати програму планують за раху- нок інвестицій, державного бюджету, влас- них коштів підприємств. Для її виконання потрібні загалом 2750 млн грн, з яких не більше 7% — бюджетні. Реалізація проекту вже принесла низку важливих результатів, попри те що виділені на нього державні ко- шти на порядок менші від передбачуваних. ВИСНОВКИ П ретендуючи на роль великої європей- ської держави, Україна не може стоя- ти осторонь глобальних викликів, які сто- ять перед людством. Вони стосуються не лише якості людського життя, але й фізич- ного виживання, якому загрожують не- контрольовані кліматичні зміни. Україна з її науковим і промисловим по- тенціалом може посісти гідне місце в со- нячній енергетиці, базованій на фотоелек- тричних перетворювачах, що виступає од- нією з найреальніших альтернатив сучас- ній енергетиці. Але при цьому потрібна постійна ува- га держави до цього, без перебільшення, доленосного напряму. Потрібна послідов- ність у виконанні ухвалених рішень: не фі- нансовані належним чином програми не мають шансів досягнути мети; ще гірше — вони деморалізують виконавців, позбавля- ючи віри, що офіційні кола розуміють стра- тегічні напрями поступу країни. Нарешті, розвиток сонячної енергетики неможливий без пристойного рівня досліджень і підго- товки кадрів. Відродження виробництва кремнію на ВАТ «Завод напівпровідників» уже виявило нагальну необхідність фахів- ців відповідного профілю й рівня. Розв’язати ці проблеми допоможуть тіль- ки об’єднані зусилля академічних і галузе- вих науково-дослідних установ, вищих на- вчальних закладів, реального сектору еко- номіки, а також координація цих зусиль на державному рівні. ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2011, № 5 39 Статтю підготовлено у форматі ДНТП № 1173. Автори вдячні академікові В.Т. Грін- ченку і д.ф.-м.н. В.П. Костильову за плідне обговорення. 1. Making Sense of Trends // Scientific American. — 2010. — V. 303. — № 5, November. — P. 61. 2. Matthew L. Wald. How to Build the Supergrid // Scientific American. — 2010. — V. 303. — № 5, No- vember. — P. 36–41. 3. http://ua-energy.org/post/1525. 4. http://www.erec.org/newssingleview/article/ greenpeace-eu-energy-revolution-scenario-2050. html. 5. В.Е. Лашкарев. Исследование запорного слоя методом термозонда // Известия АН СССР, серия «Физика». — 1941. — Т. 5. — № 4–5. — С. 442–456. 6. С.С. Кильчицкая, В.И. Стриха. Свойства солнеч- ных элементов с барьером Шоттки (обзор) // Оптоэлектроника и полупроводниковая техни- ка. — 1986. — Вып. 10. — С. 3–10. 7. В.И. Стриха, С.С. Кильчицкая. Солнечные эле- менты на основе контакта металл-полу про- водник. — Санкт-Петербург: Энергоатомиздат, 1992. — 136 с. 8. В.І. Стріха. Сонячна енергетика і проблеми її розвит ку. — К.: Товариство «Знання» УРСР, 1983. — 16 с. 9. В.І. Стріха. СЕС чи АЕС? // Прапор. — 1988. — № 1. — С. 148–153. 10. А.В. Саченко, А.П. Горбань, В.П. Костылев, А.А. Сер- ба, И.О. Соколовский. Сравнительный анализ эф- фективности фотопреобразования в кремниевых солнечных элементах при концентрированном освещении для стандартной и тыловой геомет- рий расположения контактов // ФТП. — 2007. — Т. 41. — Вып. 10. — С. 1231–1240. 11. A.P. Gorban, V.P. Kostylyov, A.V. Sachenko, V.V. Chernenko. Generalized Analytical Model for Calculation of Conversion Efficiency in Silicon So- lar Cells // Proceedings of 17 European Photovol- taic Solar Energy Conf. and Exhibition (Munich, Germany, 22–26 October, 2001). — Munich, 2001. — P. 234–237. 12. А.П. Горбань, В.П. Костылёв, А.В. Саченко и др. Раз- работка физико-технических основ создания высо- коэффективных кремниевых фотопреобразовате- лей и солнечных батарей космического и наземного применения // Авиационно-космическая техника и технология. — 1999. — Вып. 8. — С. 83–87. 13. A.P. Gorban’, V.P. Kostylev, V.N. Borschev, A.M. Lis- tratenko. State and prospects of a development of silicon photoconverters and batteries for the space use // Tele- communications and Radio Engineering. — 2001. — V. 55. — № 9. — P. 94–100. 14. V.G. Litovchenko, A.V. Makarov, B.E. Paton, A.E. Koro- tynsky. Mobile Photovoltaic Electro-welding Sys- tem // Proc. 19th European PV-solar energy Con- ference, 2–11 June 2004, Paris. — 2004. — P. 2364– 2366. 15. В.Г. Литовченко. Разработка полупроводниковых солнечных батарей // Надёжность микроэлек- тронных систем и элементов. — К.: Наукова дум- ка, 1983. — С. 3–40. 16. V. Litovchenko, N. Klyui. Solar cells based on DLC film-Si structures for space applications // Solar Ener gy Materials and Solar Cells. — 2011. — V. 65. — P. 55–70. 17. М.В. Стріха. Фізика графену: стан і перспекти- ви // Сенсорна електроніка і мікросистемні тех- нології. — 2010. — Т. 1(7). — Вип. 3. — С. 3–14. 18. http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_cell. 19. w w w. n a s . g o v. u a / i n f r a s t r u c t u r e s / L e g a l - texts/.../1/11/Pages/1107.aspx. В. Мачулін, В. Литовченко, М. Стріха СОНЯЧНА ЕНЕРГЕТИКА: ПОРЯДОК ДЕННИЙ ДЛЯ СВІТУ Й ДЛЯ УКРАЇНИ Р е з ю м е У статті зроблено огляд відновлюваної енергетики на основі фотовольтаїчних перетворювачів у світі й Україні. Проаналізовано досягнення вітчизняних учених у галузі фізики напівпровідників, а також перспективи розвитку в нашій країні сучасної інду- стрії виробництва «сонячного» кремнію. Наголоше- но на необхідності державної підтримки досліджень у сфері енергетики, базованої на прямому пере- творенні сонячного випромінювання на електро- енергію. Ключові слова: відновлювана енергетика, парниковий ефект, альтернативні джерела енергії, фотовольтаїчні перетворювачі, «сонячний» кремній. V. Machulin, V. Lytovchenko, M. Strikha SOLAR ENERGY: AN AGENDA FOR WORLD AND UKRAINE A b s t r a c t The article surveys a world and Ukrainian renewable energy based on photovoltaic transformators. The home scientific obtainings in the field of semiconductors phy- sics and the prospects of home «solar» silicon production are analyzed. The necessity of state supporting within energetics based on solar irradiation direct transforma- tion to electricity is accentuated. Keywords: renewable energy, greenhouse effect, alterna- tive energy sources, photovoltaic transformators, «solar» silicon.

Сонячна енергетика: порядок денний для світу й України

Репозитарії

Схожі ресурси