Ж. Алферов удосконалюватиме сонячні батареї
Нещодавно 85-річний нобелівський лауреат Жорес Алферов заявив про намір повернутися до експериментальної фізики. У лабораторії при Санкт-Петербурзькому Академічному університеті відомий фізик зосередиться на вдосконаленні сонячних батарей.
Нагадаємо, академік є гарячим прихильником сонячної енергетики та розробив для неї унікальні напівпровідникові гетероструктури. «Я займаюся цими дослідженнями понад 60 років. Це найважливіший напрямок, майбутнє енергетики. Так, я переконаний, що за сонячною енергетикою майбутнє, я її прихильник і вважаю, що вона буде економічно вигідною, — каже Жорес Алфьоров в інтерв'ю «АіФ», — А практична мета наших досліджень — підвищити ефективність батарей, закласти нові принципи реалізації інтегральних схем ».
Ось що розповів академік Жорес Алфьоров.
«Наша країна має значні запаси природного палива. Високий темп промислового освоєння та експлуатації родовищ у нас продовжує залишатись стабільним. Тим не менш, і нам необхідно дбати про створення науково-технічного доробку енергетики майбутнього.
Шляхи її вирішення були позначені на XXVI з'їзді партії, у документах якого передбачено «збільшити масштаби використання у народному господарстві відновлюваних джерел енергії (гідравлічної, сонячної, вітрової, геотермальної)».
Щодо вітчизняної сонячної енергетики це означає перехід до широкого впровадження результатів у практику. Йдеться, по суті, про створення промислової галузі, що спеціалізована на випуску різних геліоенергетичних установок.
Деякий досвід у цьому вже є. Серійно випускаються, наприклад, фотоелементи – основні джерела електрики для космічних апаратів. Успішно розробляються перетворювачісонячного випромінювання потреб теплопостачання. І все-таки багато залишається ще незрозумілим, дуже багато потрібно робити вперше. Проблема видається дуже складною, але, безперечно, можна розв'язати.
Якщо торкатися найближчих завдань, одне з них полягає у тому, щоб визначити оптимальну частку геліоенергетики в енергетичній системі країни. Питання дуже непросте, вимагає всебічно виваженої та ретельно обґрунтованої відповіді. Невипадково з цього приводу схрещуються полемічні списи представників різних наукових шкіл та напрямів, відомств. Судження висловлюються часом діаметрально протилежні.
Звичайно, перевести всю енергетику країни на геліотехніку нереально, принаймні в найближчому майбутньому. Але взагалі відмовлятися від використання енергії Сонця, цього воістину невичерпного джерела тепла і світла, теж було б неправильно. Не забуватимемо і про те, що з точки зору екології сонячна енергія ідеальна, оскільки не порушує рівноваги в природі.
Залишивши осторонь питання забруднення навколишнього середовища продуктами згоряння палива, відзначу одну важливу особливість зростання виробництва енергії, що отримується спалюванням будь-якого виду матеріалів. Йдеться про «теплове забруднення» планети внаслідок гігантських масштабів енергоспоживання. Різні групи вчених відповідно оцінюють його загрозливу верхню межу. Необоротні наслідки, стверджують вони, настануть, якщо енергоспоживання, порівняно з сьогоднішнім, збільшиться у сто разів.
Величина здається здавалося б досить значної. Однак розрахунки показують, що кризова ситуація може виникнути відносно незабаром. До того ж потрібно врахувати і так званий «парниковий ефект», що виникає внаслідок зростання концентрації вуглекислого газу в атмосфері, головним чином через викидивугільних електростанцій. Отже, критичне підвищення температури може бути ще раніше. Висновок з усього цього зрозумілий - на певному етапі розвитку цивілізу-
ції великомасштабне використання сонячної енергії стає просто необхідним. За всієї очевидності цієї обставини у геліоенергетики поки що чимало супротивників.
До чого зводяться їхні заперечення? Через низьку щільність енергії в сонячному випромінюванні установка апаратури для її уловлювання призведе до вилучення із землекористування величезних площ, а саме перетворення світла у прийнятні для господарської діяльності види енергії настільки дорого, що знадобляться нереальні матеріальні та трудові витрати, стверджують вони. Чи так це? Розрахунки кажуть, що для вироблення всієї електроенергії, що споживається сьогодні в країні, навіть за допомогою серійних промислових напівпровідникових перетворювачів, чий ККД поки лише 10 відсотків, знадобилося б зайняти під сонячні електростанції менше 10 тисяч квадратних кілометрів у середньоазіатських районах. Врахуємо та інше. Економічності та ефективності способів перетворення сонячної енергії зараз приділяється пильна увага дослідників. Серед запропонованих ними методів найбільш привабливим є використання фотоелектричного ефекту в напівпровідниках. Про що йде мова?
Фотоефект у напівпровідниках був відкритий ще в 70-х роках минулого століття і ось уже більше століття інтенсивно вивчається в лабораторіях, що широко використовується в практиці. Академік А. Іоффе мріяв про застосування напівпровідникових фотоелементів у сонячній енергетиці ще в тридцяті роки, коли Б. Коломієць та Ю. Маслаковець створили у Фізико-технічному інституті АН СРСР сірчано-талієві фотоелементи з рекордним для того часу коефіцієнтом корисної дії в одинвідсоток. Подальший імпульс розвитку цього напряму пошуку надали кремнієві фотоелементи, перші зразки яких мали ККД близько 6 відсотків. Ось уже майже чверть століття такі батареї — основне джерело енергопостачання космічних апаратів.
Ще недавно вважали, що фотоелектричний метод придатний лише для вирішення приватних завдань — створення, наприклад, автономних систем електроживлення у важкодоступних районах. Удосконалення методів виробництва напівпровідникового кремнію, розширення гами використовуваних матеріалів, створення нових типів фотоелектричних перетворювачів кардинально змінюють становище. У лабораторних зразків кремнієвих фотоелементів ККД досяг 18 відсотків. У практиці широко використовуються елементи з ККД 12-14 відсотків. У разі концентрованих сонячних потоків «продуктивність» низки перетворювачів з урахуванням напівпровідникових гетероструктур значно вище. Вартість «пікового» кіловата електричної потужності при використанні кремнієвих фотоелементів знизилася в 2—3 рази.
Досягнуте не межа. На основі відомих матеріалів і принципів цілком реально вже найближчим часом створити фотоелементи корисної дії 35—40 відсотків, а теоретично ККД перетворювачів з використанням об'ємного фотоефекту в гіпотетичних поки що матеріалах може перевищити і 90 відсотків. Так само реально в сотні і тисячі разів скоротити займану фотоелементами площу, попередньо концентруючи сонячні потоки. Деяке подорожчання через ускладнення конструкцій та технологій виготовлення нових фотоперетворювачів з лишком компенсується підвищенням їхньої ефективності. Каскадні фотоперетворювачі на основі гетероструктур арсенід галію - арсенід алюмінію зовсім недавно досягли ККД 30 відсотків. Це відкриває гарніперспективи створення потужних сонячних електростанцій
Важливо для практики, що вартість модуля сонячної станції для концентрованих потоків випромінювання на основі найпростіших арсенід-галієвих гетерофотоперетворювачів, що випускаються промисловістю, в кілька разів нижча, ніж у найдешевших кремнієвих фотоелементів для перетворення звичайного сонячного світла.
Радянські вчені та наукові колективи зробили величезний внесок у розробку теорії фотоефекту, у прогрес відповідної галузі техніки. Їх пріоритет у сфері конструювання напівпровідникових гетероструктур та фотоелементів загальновизнаний. Усі «рекорди» належать вітчизняній науці. Це втішно. Разом з тим наукові дослідження, в якій області вони не проводилися, повинні якомога швидше приносити практичну віддачу. Щодо геліоенергетики доводиться констатувати, що тут допускається невиправдане зволікання з впровадженням результатів досліджень у широку практику, насамперед через низькі темпи виробництва сонячних фотоелектричних модулів. Їх просто поки що не вистачає. Але й ті, що є, використовуються зазвичай у незначних експериментах.
Доцільність автономних енергоустановок на сонячних батареях не викликає сумніву. Однак для їх широкого використання, скажімо, з метою покращення водопостачання у посушливих віддалених районах Середньої Азії потрібне комплексне вирішення низки нескладних технічних та організаційних проблем. Зволікати тут не можна. Адже з окремих малопотужних модулів спочатку станцій згодом складеться і великомасштабна система сонячної енергетики.
На міцному фундаменті радянської наукової школи фізики напівпровідників та напівпровідникового матеріалознавства відбувається розвиток геліоенергетики. Її велике майбутнє, намій погляд, не викликає сумнівів. Безперечно, вченим і виробникам належить зробити дуже багато, вирішити низку великих і приватних проблем, перш ніж наземні сонячні електростанції стануть реальністю.
Є всі підстави вважати: при правильному розміщенні сил і чіткої організації робіт вже до кінця нинішнього століття ми здатні започаткувати великомасштабну сонячну енергетику. У наступному столітті станції, що перетворюють енергію Сонця на електрику, будуть на повну силу служити людині.