Компьютерра PDA 03.10.2009-09.10.2009
Шрифт:
Группе в Беркли удалось изготовить лазер из полупроводникового нановолокна, содержащего сульфид кадмия. Нановолокно отделено от серебряной подложки прозрачным диэлектриком толщиной пять нанометров. В этом зазоре, значительно меньшем дифракционного предела, потери у поверхностных плазмонов невелики; накачиваемое светом нановолокно хорошо их усиливает, и возникает эффективная сине-зелёная (489 нм) лазерная генерация в полосе под волокном шириной 38 нм. Зажатые в зазоре плазмоны обладают рядом уникальных свойств — например, высокой концентрацией энергии. Их можно использовать как источник в плазмонной электронике и в квантовых вычислениях; с помощью плазмонов можно будет изучать отдельные молекулы и нагревать сверхмалые области для магнитной записи информации. Теперь учёные хотят заменить оптическую накачку плазмонного лазера электронной, что сделает вполне реальным его использование
В Норфолке пошли другим путём. Созданный там плазмонный нанолазер (спазер) представляет собой шарик диаметром 44 нм с золотым ядром, которое «обернуто» слоем кварца с примесью молекул красителя. Сферическое ядро играет роль резонатора для плазмонов, а его оболочка является активной средой. Такое устройство помещают в воду и накачивают другим лазером. Сгенерированный спазером свет может оставаться в виде плазмонов в наночастице или излучаться зелёными фотонами с длиной волны 530 нм. Подобные шарики (по мнению изобретателей, их можно уменьшить до нанометра) способны стать основой новых микроскопов и биосенсоров, чувствительных к отдельным молекулам.
"Компьютерра" №34 (798)
В погоне за солнечным зайчиком
Автор: Александр Бумагин
Опубликовано 05 октября 2009 года
В середине июля двенадцать крупных европейских компаний подписали меморандум о проекте DESERTEC. Он предусматривает строительство гигантского комплекса солнечных (а также ветровых и прочих «альтернативных») электростанций, который решил бы многие энергетические проблемы континента, вырабатывая до 15% необходимой Европе электроэнергии. Практически одновременно корпорация РОСНАНО оформила своё участие сразу в трёх российских проектах, связанных с производством солнечных элементов для космической отрасли и наземного применения.
Оценить эти шаги пока довольно трудно ввиду разного масштаба инициатив и зачаточного состояния большинства проектов. DESERTEC 1 потребует 400 млрд. евро в течение десяти лет, а РОСНАНО имеет возможность потратить лишь несколько миллиардов рублей. Инициаторы европейского проекта хотят вырваться вперед, а мы лишь рассчитываем догнать тех, кто впереди. Для них это стремление к энергетической независимости, в том числе и от нас, а мы решаем похожую проблему в пусть важном, но очень узком сегменте. Сравнивать эти усилия нельзя ещё и потому, что европейцы хотят с помощью жаркого африканского солнца и системы отражателей нагревать тепловые котлы, а РОСНАНО делает ставку на поглощение энергии излучения светила в полупроводниковых солнечных батареях: энергетика там и там солнечная, а технологии совершенно разные. К слову, в европейском проекте никакие технологические прорывы и не требуются, у них главная проблема — в грандиозности задуманного.
3. Те, кто внимательно следил за этапами постройки МКС, могли заметить, что доставкой и установкой батарей для станции занимались американцы.
Мы все, наверное, привыкли к тому, что в нашей стране крупные государственные вложения в технологии делаются нечасто. А если и делаются, то сплошь и рядом все оканчивается пшиком. Интересно, что получится с обузданием Солнца.
Рынок Солнца
Рынок солнечной энергетики в последние годы заметно вырос. Так, по данным исследовательской компании Lux Research (США), в прошлом году его объём достиг 33,3 млрд. долларов, или около 5 ГВт. В абсолютных величинах это, конечно, немного, тем не менее с 2001 года цифры возросли больше чем на порядок (здесь, правда, следует быть осторожным в оценках, так как при малых изначально величинах рост часто впечатляет).
Рынок кремниевых тонкоплёночных солнечных модулей (тех самых, что будут делать в Новочебоксарске) в 2008 году оценивается в 0,6 ГВт, и по прогнозам, к 2012 году он увеличится до 2,4 ГВт. По информации, которую нам предоставила компания «Нитол», есть предпосылки к тому, что в ближайшие два года в ряде регионов (Калифорния, страны Южной Европы, Япония) выработка «солнечного» электричества сравняется по стоимости с традиционными источниками. Локомотивами солнечной энергетики станут снижение цен на производство и установку солнечных модулей, а также повышение их КПД. Европейская ассоциация фотовольтаики (EPIA) прогнозирует два сценария развития рынка до 2013 года. По консервативному сценарию (без существенной государственной поддержки) среднегодовые
темпы роста составят 17% (до 12 ГВт новых установок в 2013 году). По ускоренному (с господдержкой в виде льготных закупочных тарифов, налоговых льгот и др.) — 32% (22 ГВт новых установок в 2013 году). Среднегодовые темпы роста мощностей по всей производственной цепочке в 2008-2013 гг. составят 20–30%.Сотрудничество РОСНАНО с НПП «Квант» предполагает производство солнечных батарей на основе арсенида галлия. Такие батареи позволяют поднять КПД со средних 15 до 30% по сравнению с батареями на основе кремния 2 . Ресурс батарей — пятнадцать лет, и это практически предельный срок службы для солнечных элементов при их использовании в космосе. Более дешевые кремниевые батареи намного быстрее деградируют под действием космической радиации, хотя на Земле, под защитой атмосферы, могут успешно работать 20–25 лет.
Это не предел. Практически достигнутый КПД на сегодня — 40,7%. Есть теоретические разработки, которые предполагают, что использование многослойных солнечных элементов, рассчитанных на поглощение света в значительной части спектра, позволит повысить эффективность по меньшей мере до 80%.
Солнечные элементы на основе арсенида галлия впервые были сделаны в СССР: на советских «Луноходах» и на станции «Мир» использовались именно они. Арсенид-галлиевые элементы гораздо менее чувствительны к перегреву, а их более высокая эффективность позволяла конструкторам обходиться батареями меньшей площади. Правда, такие элементы заметно дороже, потому-то и прижились преимущественно в космосе.
По словам руководителя учебно-методического центра ОАО «КПП «Квант» Елены Обручевой, советскую космическую программу эффективными батареями обеспечили, но после развала Советского Союза возможностей развивать технологию не было, в итоге — пятнадцать лет застоя. Сейчас Россия вынуждена закупать элементы на основе арсенида галлия за границей, а они составляют 70% конечной стоимости солнечной батареи3.
Важно и то, что во времена «Луноходов» при создании солнечных элементов была использована жидкофазная эпитаксия 4 — процесс плохо контролируемый, который нет смысла совершенствовать сейчас. Современный уровень технологии — это газофазная эпитаксия, которая и будет применяться на производстве «Кванта». Этот вариант создания кристаллов обладает также большей производительностью, по сравнению, например, с молекулярно-пучковой эпитаксией. Только две фирмы в мире выпускают необходимую аппаратуру промышленного назначения — немецкая Aixtron и американская Veeco. «Квант» использует установки обеих фирм.
4. Эпитаксия — упорядоченный рост кристалла на поверхности другого кристалла (на подложке). Осаждение на подложку может идти как из жидкой фазы, так и из газообразной. Молекулярно-пучковая эпитаксия происходит в вакууме, а необходимое для осаждения вещество в виде газа подается на подложку направленным пучком
Однако установки — это меньшая часть дела. Ими еще нужно уметь пользоваться. Оборудование для газофазной эпитаксии позволяет производить и солнечные элементы, и светодиоды, и ряд других комплектующих. Технологии для каждого из продуктов сильно отличаются. Производственный цикл при создании солнечных элементов состоит более чем из тридцати последовательных стадий. Так что разработка технологии — достаточно трудоёмкий и, по выражению Обручевой, даже творческий процесс. Поскольку «Квант» занимается космическими солнечными батареями больше полувека, накопленный опыт позволил предприятию адаптировать собственные научные наработки к современному оборудованию.
Продукция «Кванта» будет более выгодна для заказчиков внутри страны хотя бы потому, что в России рабочая сила дешевле, чем в Германии или США, а к цене не прибавятся таможенные расходы, сопутствующие импорту изделий. С российскими предприятиями уже заключены договоры на срок до 2012 года о поставке 60% всех выпущенных за это время солнечных элементов. Исходя из сегодняшних потребностей нашей космической отрасли, проект способен полностью насытить внутренний рынок. Зарубежные заказы тоже ожидаются — например, интерес к открываемому производству проявляет Франция. На международном рынке цена российских солнечных батарей, по прогнозам, должна быть на 10% ниже, чем у зарубежных аналогов.