В Китае планируют ограничить экспорт ключевых технологий для производства солнечных панелей. По мнению экспертов, это приведёт к задержке создания собственной производственной цепочки для данной отрасли в США. Китайские Министерство торговли и Министерство науки и технологий рассматривают ограничение экспорта ряда решений, применяемых для выпуска ключевых компонентов панелей.

Источник изображения: American Public Power Association/unsplash.com

На долю Китая сегодня приходится почти всё производство поликристаллического кремния, применяемого для выпуска солнечных панелей, да и большинство самих панелей выпускает Поднебесная. Также на эту страну приходится значительная часть производства оборудования для выпуска солнечных элементов — особенно для выпуска больших панелей, доминирующих на рынке.

Новые китайские нормы экспортного контроля должны будут «усилить управление экспортом и импортом технологий», они были анонсированы ещё в конце минувшего декабря. Когда Пекин примет окончательное решение, информация отсутствует. Если план будет принят, китайские производители солнечных панелей должны будут получать лицензии от властей на местах на экспорт соответствующих технологий. В США представители отрасли уже заявили, что предложенные ограничения наглядно демонстрируют необходимость быстрого масштабирования производства солнечных решений в США.

Известно, что кремний добывается из кремнезёма с последующим получением слитков, которые нарезаются для создания пластин панелей с последующей дополнительной обработкой для того, чтобы те могли преобразовать солнечный свет в энергию. Китайские ограничения экспорта касаются оборудования, используемого на промежуточных стадиях производства. Доминирование Китая в данной сфере вызывает серьёзную обеспокоенность в США, Европе и Индии, поскольку все регионы намерены активно развивать солнечную энергетику.

Как сообщает The Wall Street Journal, китайские компании контролируют примерно 80 % глобальной цепочки поставок для производства в данной сфере и выпускают около половины оборудования для производства солнечных панелей и их компонентов. Кроме того, только 3 % слитков и кремниевых пластин уровня, необходимого для солнечной энергетики, выпускаются за пределами Китая. Более того, по данным TrendForce, сегодня только китайские компании способны выпускать большие 182- и 210-мм пластины, на которые в 2023 году, по данным агентства, будет приходиться до 96 % рынка.

В прошлом году в США принят закон, в числе прочего поощряющий производство кремниевых слитков и пластин на территории страны, но пока такая продукция здесь фактически не выпускается. Многие крупные компании намерены вложить миллиарды долларов в развитие отрасли, предполагается, что производство будет налажено в ближайшие годы — техпроцесс очень похож на тот, что используется при создании кремниевых пластин для полупроводников.

Источник изображения: Sungrow EMEA/unsplash.com

Китай, похоже, не намерен мстить за ограничения на экспорт в страну полупроводников, но просто рассчитывает сохранить доминирующие позиции в отрасли и помешать иностранным компаниям создавать собственные производственные цепочки. При этом санкции Китая вряд ли будут столь разрушительными, как ограничения на экспорт чипов, вводимый в отношении Китая Соединёнными Штатами и их союзниками, поскольку технология выпуска солнечных панелей намного проще и у США имеется всё необходимое для создания собственного производства.

Впрочем, США всё равно грозят неприятности, поскольку невозможность быстрой организации выпуска больших панелей из-за отсутствия доступа к передовым технологиям скажется на себестоимости местных решений. Кроме того, поиск альтернатив китайской продукции может занять в некоторых случаях годы.

Известно, что в ответ на рост американских тарифов на ввоз в США панелей китайского производства, Пекин организовал строительство заводов на территории Юго-Восточной Азии, на которую приходится примерно 80 % импорта солнечных панелей для США. В декабре местное Министерство торговли обнародовало выводы о том, что китайские компании таким образом обходят тарифные ограничения, при этом по-прежнему выполняя наиболее высокотехнологичные процессы на территории Китая.

Команда учёных Берлинского центра материалов и энергии имени Гельмгольца (HZB) сообщила, что получила международный сертификат на самую эффективную в мире тандемную солнечную ячейку. Разработка HZB внесена в международный рейтинг и установила новую планку значения КПД для таких солнечных элементов, а именно 32,5 %.

Источник изображений: Eike Köhnen/HZB

Примечательно, что значение КПД на уровне знаковых 30 % впервые было преодолено летом этого года учёными из Швейцарии. Исследователи из Лозанны создали из перовскита и кремния тандемную солнечную ячейку с эффективностью 31,3 %.

В тандемных элементах каждый из двух расположенных один поверх другого слоёв — один из кремния, а другой из перовскита — поглощают свой спектр падающего света, делая это максимально эффективно в своём диапазоне фоточувствительности. Суммарная чувствительность не удваивается, но ощутимо выше, чем если бы использовался только один из материалов. Тем самым с одной и той же площади собирается больше энергии.

Новая тандемная фотоячейка HZB оптимизирована по «интерфейсу» и слоям. Учёные путём анализа структур подбирали как чередование фоточувствительных слоёв, так и их состав и состояние поверхностных слоёв. В каждом случае искали максимальный отклик материала. Слой из перовскита поглощал синюю составляющую спектра, а слой кремния — красную и инфракрасную составляющую в ближнем диапазоне.

Тонкая настройка элемента помогла добиться рекорда, на который теперь будут равняться учёные из других лабораторий. Ранее подобное значение КПД было достижимо только с использованием дорогих полупроводников из III/V групп таблицы Менделеева. Теперь в эту область ворвались дешёвые кремний и перовскит.

Группа учёных представила интересный тандемный солнечный фотоэлемент, оба слоя которого были выполнены из перовскита. Это нетривиальное решение, поскольку обычно один из слоёв в тандемных элементах кремниевый, а другой перовскитный, что позволяет извлекать энергию из разных диапазонов солнечного света. На удивление, тандем из двух разных перовскитов показал рекордную эффективность даже без кремния.

Источник изображения: Aaron Demeter

Серьёзно перовскитом в области фотовольтаики начали заниматься около 10 лет назад. В 2009 году первые фотоячейки из таких минералов едва достигали КПД на уровне 4 %. В 2021 году эффективность элементов из перовскита поднялась до 25 % и преодолела эту отметку, что позволило ему соперничать с кремнием. При этом ячейки из перовскита дешевле в производстве, теоретически устойчивее к износу и могут быть гибкими, чего не скажешь о кремнии. А в паре с кремнием тандемные элементы с перовскитом добились абсолютного рекорда по эффективности, впервые преодолев отметку в 30 % КПД летом этого года.

Для нового исследования группа инженеров создала и испытала полностью перовскитный тандемный солнечный элемент. Для этого они объединили в одном элементе две версии одного и того же материала.

«В нашей ячейке верхний слой перовскита имеет более широкий зазор, который хорошо поглощает ультрафиолетовую часть спектра, а также немного видимого света, — говорят авторы работы. — Нижний слой имеет узкую полосу пропускания, которая больше настроена на инфракрасную часть спектра. Благодаря этому мы охватываем больше спектра, чем это было бы возможно при использовании кремния».

Созданный командой прототип площадью 1 см² имел максимальную эффективность 27,4 %, что на 1,1 % выше официально зарегистрированного КПД для этого типа ячеек (26,3 %). Однако исследователи не стали регистрировать новый рекорд, чем занимается независимая экспертиза NREL.

Зато гарантированный рекорд подтверждён в достигнутом ячейкой напряжении — это 2,19 электронвольт напряжения разомкнутой цепи ячейки, что является самым высоким показателем среди всех тандемных солнечных элементов на основе перовскита.

Следует отметить, что оба этих впечатляющих показателя были получены благодаря внесению тонкого слоя такого химического вещества, как 1,3-пропандиаммония (PDA) между светопоглощающим слоем перовскита и слоем, который переносит электроны. Этот добавочный слой выровнял поверхностный заряд фотоячейки и включил в работу электроны на всей её поверхности.

Учёные говорят, что дальнейшая работа будет направлена на повышение эффективности солнечного элемента за счет повышения его стабильности, увеличения силы тока и увеличения размера элемента.