Магистерская программа «Солнечная гетероструктурная фото энергетика» Подготовка специалистов для производства и применения тонкопленочных солнечных модулей на кафедре квантовой электроники и оптико-электронных приборов

Проблемы современной энергетики Потребности человечества в энергии 1. Настоящее время – 13 ТВт. 2. К 2050 г. – 30 ТВт. 3. Конец XXI в. – 46 ТВт. Вывод: необходимы дополнительные источники энергии – источники «чистой» энергии. Запасы ископаемого топлива Добыча нефти в мире в 1930 – 2050 гг. Нефть, лет Газ, лет Уран, лет Уголь, лет 39,9 (на 2001 г.) 61 (на 2001 г.) 64,2 (на 1999 г.) 227 (на 2001 г.) Основные тенденции 1. Рост мировой экономики, в том числе заметный экономический ростом развивающихся стран. 2. Рост населения Земли (10-11 млрд человек к 2050 г. ). 3. Исчерпаемость традиционных ископаемых источников энергии. 4. Экологическое и тепловое загрязнение Земли. 5. Энергобезопасность.

Нетрадиционные возобновляемые источники энергии 1. Торф. 2. Энергия биомассы. 3. Энергетические плантации. 4 Энергия ветра. 5. Энергия солнца. 6. Энергия водных потоков на суше (мини- и микроГЭС). 7. Геотермальная энергия. 8. Энергия морей и океанов. 9. Низкопотенциальная тепловая энергия Земли. Мировое энергопотребление Вывод: в настоящее время альтернативные возобновляемые источники энергии не могут конкурировать с традиционными источники энергии. Вид источника Производс тво, ТВт ч Потенциал, 10 3 ТВт/год Стоимость, евро/к Вт ч ГЭС ,02 - 0,08 Биомасса 175>770,05 - 0,06 Энергия ветра ,04 - 0,12 Геотермальная ,02 - 0,10 Энергия моря 0,8320,08 - 0,15 Солнечная термическая 0,5>440 0,12 - 0,18 Фотовольтаика 2,50,25 - 0,65 Всего 2969>2100 Производство электроэнергии с помощью ВИЭ

Перспективы развития ВИЭ 1 - энергия ветра; 2 - гидроэнергия; 3 - фотовольтаика; 4 - биомасса; 5 - геотермальная энергия 1. За последние лет прирост производства солнечных батарей в мире составил в среднем 25%. 2. Стоимость фотоэлектричества в период с 1990 по 2002 г.г. снизилась в 15 раз. 3. Объем реализации увеличился более чем в 10 раз. Прогноз мирового энергопотребления в 2020 г. Выводы: необходимо снизить стоимость вырабатываемой фотовольтаикой электроэнергии в 5-10 раз. Темпы роста ВИЭ

Солнечные батареи Монокристаллический Si Около 25% эффективности (в лаборатории) Чувствителен к ИК свету Поликристаллический Si Около 20% эффективности (в лаборатории) Много дешевле Аморфный гидрированный Si Около 10% эффективности Низкие температуры осаждения Большие площади Возможность создания тандемных структур Очень дешевый

СОЗДАНИЕ В РОССИИ ПОЛНОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ЦИКЛА ПРОИЗВОДСТВА СОЛНЕЧНЫХ МОДУЛЕЙ ОАО «Химпром» (Новочебоксарск) ОАО «Химпром» (Новочебоксарск) Поставки газов «Хевел» (Ренова-Роснано) (Новочебоксарск ) Производство тонкопленочных солнечных модулей Renova Group – Oerlikon AG (Швейцария) Мировой лидер в технологиях и производстве оборудования тонкопленочных солнечных модулей Renova Group – Avelar Energy (Италия) Крупнейший частный оператор энергорынка Европы. Инсталляция солнечных модулей (100МВт в 2009 г.) Крупнейший частный оператор энергорынка Европы. Инсталляция солнечных модулей (100МВт в 2009 г.) AGC Flat Glass (Тверь) Производитель специального высококачественного стекла мирового уровня ОАО «Элара» (Чебоксары) Производство коммуникационных устройств для солнечных модулей НТЦ на базе ФТИ им. Иоффе (Санкт-Петербург) НТЦ на базе ФТИ им. Иоффе (Санкт-Петербург) Широкопрофильный технологический и научно- исследовательский центр Локализация производства сверхчистых газов Air Liquide ТОНКОПЛЕНОЧНАЯ СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА В РОССИИ

Laser Scribers Define Cells Производство солнечных модулей на базе технологии «тонких пленок» Oerlikon LPCVD Deposit Contacts PECVD Deposit PV Material Компания Oerlikon предлагает наиболее передовую технологию производства фотоэлектрических преобразователей (ФЭП). Оборудование компании Oerlikon предназначено для изготовления ФЭП размером 1.1 х 1.3 м 2

ТОНКОПЛЕНОЧНАЯ СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА В РОССИИ Проект по созданию предприятия по производству солнечных модулей с проектной мощностью один миллион модулей в год (120 МВт/год) в г. Новочебоксарске Общий объем финансирования проекта составит более 20 млрд. рублей, проектная компания ООО «ХЕВЕЛ», 300 рабочих мест Строительство завода по производству тонкопленочных модулей на основе аморфного гидрогенизированного кремния в г. Новочебоксарске (июнь, 2012).

Технологическое и метрологическое оборудование в ООО «НТЦ тонкопленочных технологий в энергетике при ФТИ им.А.Ф.Иоффе» в Санкт-Петербурге ООО «НТЦ тонкопленочных технологий в энергетике при ФТИ им.А.Ф.Иоффе» Установка плазмо-химического Установка для измерения спектров осаждения KAI вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР)

В 2010 году ГК «Роснанотех» объявила конкурс на оказание услуг по разработке и апробации программы опережающей профессиональной переподготовки и учебно-методического комплекса, ориентированных на инвестиционные проекты ГК «Роснанотех» по производству солнечных модулей на базе технологии «тонких пленок» Oerlikon в регионах Российской Федерации. В результате конкурсного отбора исполнителем программы переподготовки стал Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ», который приступил к работе в в тесном контакте с ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН и ООО «Хевел». Разработка образовательной программы строилась на основе Концепции образовательной деятельности ГК «Роснанотех», базирующейся на: - выявлении кадровых потребностей проектных компаний ГК «Роснанотех»; - разработке и адаптации образовательных программ опережающей переподготовки под кадровые потребности проектных компаний; - организации обучения сотрудников и студентов по направлению солнечная энергетика.

Структура солнечного элемента на основе аморфного кремния, предлагаемого фирмой Oerlikon Glas TCO µc-Si:H a-Si:H UV - VIS - IR top cell bottom cell

Структура слоев солнечного модуля Module efficiency 10% 9% 8% 7% Amorph Micromorph Tandem Next Generation Thin-Film % 13% 12%

Технологический процесс производства тонкопленочного модуля выглядит следующим образом

ZnO Стекло p-a-SiC:H i-a-Si:H n-µc-Si:Hp-µc-Si:Hi-µc-Si:Hn-µc-Si:H ZnO Изготовление двухкаскадных солнечных модулей Ламинат Стекло

Солнечных модули фирмы Oerlicon Solar и их характеристики

ПЕРСПЕКТИВЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ СОЛНЕЧНЫХ МОДУЛЕЙ 1. Увеличение КПД модулей с сегодняшних 8–10 % до 14–15 %. 2. Дальнейшее исследование фундаментальных свойств материалов, их теоретический анализ, разработка новых конструкций солнечных модулей, исследование границ раздела в них. 3. Разработка новых многокаскадных структур. 4. Разработка дешевых, высокоэффективных ТСО материалов. 5. Использование альтернативных конструкций модуля (новые подложки и новые технологии корпусирования). 6. Увеличение срока стабильной работы модуля до 20–30 лет с уменьшением эффективности преобразования менее чем на 10 %. 7. Разработка процессов и оборудования для обеспечения дешевого широкомасштабного производства с высоким выходом годных ФЭП. 8. Улучшение однородности свойств пленок на больших площадях. 9. Снижение окупаемости модуля до одного года и менее. 10. Адаптация новых удачных технологических решений к условиям промышленного производства.

Анализ потребностей проектных компаний базировался на реализации группой компаний «РЕНОВА» двух проектов : 1)проекта по производству солнечных модулей в г. Новочебоксарске, 2)проекта по созданию научно-технического центра (НТЦ) фирмы «Хевел» в ФТИ им.А.Ф.Иоффе РАН для проведения научных разработок совместно с компанией Oerlikon. Система опережающего обучения должна обеспечить решение двух задач профессиональной переподготовки: 1. Обеспечить кадровые потребности инвестиционных проектов, поддерживаемых ГК «Роснанотех», с целью снижения дефицита квалифицированных специалистов и повышения уровня реализуемости проектов, причем в достаточно сжатые сроки. 2. Создать кадровый потенциал наноиндустрии Российской Федерации, гарантирующий интеллектуальное развитие отрасли, базирующее на новых научных достижениях и открытиях.

Программа предусматривает переподготовку специалистов по двум существенно отличным образовательным траекториям: - инженера-технолога (метролога); - инженера-исследователя, инженера - эксплуатационщика. Первая траектория должна обеспечить подготовку кадров для предприятия в Новочебоксарске, НТЦ в Санкт-Петербурге, а вторая – специалистов по эксплуатации солнечных модулей, их мониторингу. Особенностью программы переподготовки являлся тот факт, что требовалось подготовить специалистов для работы на оборудовании и по технологиям, не имеющим аналогов в России. На основании анализа технологических процессов, а также задач, связанных с проведением научных исследований на базе современного оборудования, был предложен модульный принцип подготовки различным направлениям.

1. Специалисты – технологи, владеющие современными методами производственно-технологических процессов получения тонкопленочных прозрачных проводящих покрытий и контактных систем, используемых при производстве солнечных модулей. 2. Специалисты – технологи, владеющие современными методами плазмохимического осаждения тонких пленок аморфного и микрокристаллического кремния, используемых при производстве солнечных модулей. 3. Специалисты – технологи, владеющие современными методами лазерного скрайбирования, используемого на разных этапах изготовления каскадных солнечных элементов. 4. Специалисты – метрологи, владеющие методами и средствами контроля качества каскадных солнечных модулей на базе технологии "тонких пленок" Oerlikon, прогнозированием их надежности. 5. Специалисты – исследователи, владеющие методиками проведения исследований и измерения параметров и характеристик тонких пленок и солнечных модулей в процессе их эксплуатации. 6. Специалисты – исследователи, владеющие методами разработки физических и математических моделей, компьютерным моделированием исследуемых физических процессов в тонкопленочных каскадных солнечных элементах на основе аморфного кремния, мониторинга и формирования баз данных для анализа эффективности работы солнечных модулей.

Магистерская программа «Солнечная гетероструктурная фото энергетика» Как показал анализ кадровых потребностей ООО «Хевел» на площадке в г. Новочебоксарске, сохраняется необходимость дальнейшей не только переподготовки, но и подготовки кадров для предприятия с привлечением жителей региона. Для решения этой задачи в СПбГЭТУ была открыта магистерская программа «Солнечная гетероструктурная фото энергетика» (код: ) в рамках направления Электроника и наноэлектроника. Учебный план программы в существенной мере базировался на тех дисциплинах, которые были подготовлены и апробированы в ходе выполнения проекта с Роснано. В 2011 и 2012 годах были сформированы две группа магистерской подготовки, среди которых 14 человек – представители Чувашии, выпускники бакалавриата Чувашского государственного университета имени И.Н.Ульянова (ЧувГУ), которые успешно обучаются в СПбГЭТУ.

ДИСЦИПЛИНЫ МАГИСТЕРСКОЙ ПРОГРАММЫ Базовая часть: Современные проблемы электроники; Микропроцессорная техника; Компьютерные технологии и моделирование в электронике; Процессы микро- и нанотехнологии; Методология и логика научных исследований; Иностранный язык.

2. Специальные дисциплины: Физика и оптика материалов фотоэнергетики; Диагностика материалов и структур микро и оптоэлектроники; История и методология электроники; Междисциплинарный проект "Проектирование, технология и метрология солнечных фотопреобразователей.

3. Дисциплины по выбору студентов: Фотоэлектрические тонкопленочные преобразователи солнечной энергии; Оптико-физические методы исследования материалов и структур; Метрология тонкопленочных солнечных модулей и энергоустановок; Оборудование для производства тонкопленочных солнечных модулей; Технологические основы формирования тонкопленочных солнечных модулей; Лазерные технологии и лазерная обработка в производстве солнечных модулей.

НАШИ СТРАТЕГИЧЕСКИЕ ПАРТНЕРЫ 1. ФГУП «НПК «ГОИ им. С.И. Вавилова», 2. НПО «Электрон» 3. ФТИ РАН им. А.Ф. Иоффе 4. ООО «НТЦ тонкопленочных технологий в электронике при ФТИ им.А.Ф. Иоффе» 5. ООО «Хевел», г. Новочебоксарск 6. СПбГУ 7. Чувашский ГУ 8. СПб НИИ Центр экологической безопасности РАН

Спасибо за внимание