Ключевой разработкой компании Twin Creeks Technologies является ионный ускоритель, применение которого позволяет изготавливать солнечные батареи с кремниевым слоем, вдесятеро тоньше существующих. Таким образом, один из наиболее дорогих компонентов кремниевых фотоэлементов используется в значительно меньшей степени, и в итоге стоимость конечного продукта падает до 400 долларов за киловатт установленной мощности.

Twin Creeks Technologies — это небольшой американский стартап, до недавнего времени действовавший в обстановке максимальной скрытности. Из тени он вышел только для того, чтобы продемонстрировать свой уникальный метод изготовления солнечных батарей. Причём технология эта вполне промышленного масштаба: с её помощью уже создано столько фотоэлементов, которых хватит, чтобы оснастить действующую 25-мегаваттную гелиоэлектростанцию в Сенатобии (Миссисипи, США).

Сива Сиварам, глава Twin Creeks, отмечает, что традиционный способ изготовления кремниевых фотоэлементов не в полной мере использует потенциальные возможности этого материала. Сейчас нарезаются стандартные блоки толщиной в 200 мкм, хотя теоретический нижний порог толщины кремниевых подложек — всего 20–30 мкм. При этом КПД при столь небольшой толщине может быть даже выше, чем при стандартной. Производители мирятся с избыточной толщиной лишь потому, что никто не умеет изготавливать кремниевые пластины в 20 мкм толщиной, которые не были бы слишком хрупкими и сумели выдержать механические воздействия на обычной конвейерной линии.

Получаемые по новому техпроцессу фотоэлементы можно свободно изгибать и сворачивать в трубочку. При этом их КПД уже сейчас выше полимерных.

Чтобы обойти эту проблему, используется ускоритель заряженных частиц. Подобные подходы уже предлагались, но до практического осуществления дело так и не дошло, потому что ускоритель одновременно должен был обеспечить поток ионов с весьма высокими характеристиками. Однако в бюджетных ускорителях с этим ничего не получалось, а передовые конструкции стоили столько, что их применение было невыгодным. Прогресс последних лет помог решить проблему: по заявлениям разработчиков, их ускорители на порядок эффективнее применявшихся в этой области ранее.

Чтобы получить с их помощью особо тонкие фотоэлементы, делается следующее: в вакуумной камере пучок протонов высокой энергии бомбардирует 3-миллиметровые диски из кристаллического кремния. Вольтаж этих катионов водорода одинаков и рассчитан так, что они проникают на одну и ту же глубину (20 мкм). Как только нужное количество ионов накапливается на заданной глубине, роботизированный манипулятор быстро удаляет кремниевую пластину, помещая её в печь. В ней ионы формируют на глубине своего залегания микроскопические пузырьки водорода, который с повышением температуры расширяется, создавая крохотную сеть трещин на удалении в 20 мкм от поверхности пластины. Получающийся особо тонкий слой «отваливается» от тела 3-миллиметровой заготовки, а с его тыльной стороны подкладывается тонкая и гибкая металлическая подложка, что позволяет полученному фотоэлементу выдержать дальнейшие технологические перипетии и условия реальной гелиоэлектростанции с её суточными перепадами температур и прочим.

Напомним, что сходным образом работает компания Astrowatt, но она не использует металлическую плёнку как основу, поэтому получающиеся фотоэлементы имеют серьёзную изогнутость, затрудняющую их применение.

Естественно, затем пластинка отправляется в вакуумную камеру, а значит — потребление кристаллического кремния уменьшается на 90% по сравнению с обычными производственными моделями. Напомним, кристаллический кремний, расходуемый в производственном процессе, обычно составляет от 40 до 50% стоимости готовой солнечной батареи. Поэтому, несмотря на кремниевую основу новых солнечных батарей Twin Creeks, они стоят вдвое дешевле самых доступных пластиковых плёночных фотоэлементов, то есть не 800 долларов за киловатт установленной мощности, а лишь 400.

И хотя все эти низменные денежные расчёты выглядят не слишком революционно, если реальная себестоимость в массовом производстве удержится на таком уровне, можно будет говорить о настоящей революции. Для справки: $400 за кВт установленной мощности соответствуют показателям лучших больших ГЭС, до того непревзойдённых по дешевизне вырабатываемой энергии. Разумеется, установленная мощность солнечной батареи рассчитывается для идеальных условий (полдень ясного дня в солнечной местности). Чтобы грубо оценить реальную выработку, эту цифру, перед тем как экстраполировать на годичный период, делят на два, а затем ещё на два (ибо солнце, увы, светит лишь часть суток). Однако и при этом годовая отдача в солнечных районах обещает достичь 2 000 кВт∙ч на один кВт установленной мощности. При себестоимости электроэнергии на американской газовой ТЭС в 6 центов солнечная батарея окупит себя всего за четыре года, вырабатывая энергию, по стоимости равную газовому конкуренту.

Подготовлено по материалам Twin Creek и Technology Review.