Źródło:nsenergybusiness.com
Oxford PV będzie pierwszą firmą, która w przyszłym roku będzie sprzedawać ogniwa słoneczne na bazie perowskitu na krzemie na rynku dachów mieszkalnych.
Oxford PV wykorzystuje koncepcję „tandemu”, w której cienka warstwa perowskitu jest nakładana na konwencjonalne krzemowe ogniwo pierwotne (źródło: Oxford PV)
Oxford PV, który określa się jako „firma perowskitowa”, planuje być kluczowym graczem w tym, co postrzega jako całkowicie elektryczną przyszłość zasilaną energią słoneczną. James Varley, pisarz dla magazynu Modern Power Systems, przygląda się, w jaki sposób firma dąży do osiągnięcia tego celu.
W przyszłym roku, jeśli wszystko pójdzie zgodnie z planem, Oxford PV stanie się pierwszą firmą, która będzie sprzedawać ogniwa słoneczne na bazie perowskitu na krzemie na rynku dachów mieszkalnych. Będą one miały potencjalnie zmieniającą grę wydajność, o około 20% wyższą niż obecna technologia, ogniwa zawierające tylko krzem.
Oxford PV wykorzystuje koncepcję „tandemu”, w której cienka warstwa perowskitu jest nakładana na konwencjonalne krzemowe pierwotne (lub dolne) ogniwo (grubość perowskitu wynosi około 1/200 grubości krzemu).
To podejście tandemowe poprawia zdolność do wychwytywania określonych części widma słonecznego, szczególnie na wysokoenergetycznym, niebieskim końcu, co oznacza, że ogniwo tandemowe perowskit-on-krzem ma teoretyczną granicę wydajności wynoszącą 43% w porównaniu z 29% dla samego krzemu komórki.
W praktyce średnia sprawność krzemowych instalacji fotowoltaicznych w budynkach mieszkalnych mieści się w zakresie 15-20%, podczas gdy maksymalne „w świecie rzeczywistym” dla krzemu szacuje się na około 26%.
Oczekuje się, że wczesne komercyjnie produkowane tandemowe ogniwa fotowoltaiczne Oxford osiągną początkowo wydajność około 27%, ale firma przewiduje stałą poprawę w miarę rozwoju technologii w nadchodzących latach. „Mamy jasny plan działania, dzięki któremu ta technologia przekroczy 30%” — mówi dyrektor generalny Frank Averdung.
Dr Chris Case, CTO w Oxford PV, zauważa, że od 2014 roku, kiedy firma zdecydowała się skupić wyłącznie na tandemie perowskit-Si, zwiększyła wydajność swojego ogniwa słonecznego średnio o około jeden punkt procentowy rocznie i ma ścieżkę oraz teoretyczne podstawy do dalszego rozwoju tej technologii aż do lat 30-tych.
Ogniwo badawcze wykorzystujące technologię Oxford PV osiągnęło już 29,52% (zgodnie z certyfikatem US National Renewable Energy Laboratory), światowy rekord dla ogniw tandemowych perowskit-Si, a także lepszy niż jakiekolwiek jednozłączowe ogniwo badawcze (dla którego obecny rekord, 29,2% jest utrzymywane przez komórkę wykorzystującą GaAs).
Perowskit został po raz pierwszy odkryty w swojej naturalnie występującej formie mineralnej (CaTiO3) w 1839 roku (przypadkowo w tym samym roku, w którym po raz pierwszy zaobserwowano efekt fotowoltaiczny, podkreśla Chris Case). Ale dopiero w ciągu ostatnich dziesięciu lat ogromny potencjał syntetycznych perowskitów jako materiału do ogniw słonecznych został w pełni dostrzeżony.
Profesor Henry Snaith, który w 2010 r. był współzałożycielem Oxford PV w celu komercjalizacji technologii słonecznej przeniesionej z jego laboratorium na Uniwersytecie Oksfordzkim (i jest dyrektorem naukowym firmy), odegrał w tym kluczową rolę, w szczególności poprzez artykuł opublikowany w Science w 2012 roku, opisując opłacalną technologię półprzewodnikowych ogniw słonecznych wykorzystującą perowskit metalohalogenkowy.
Postęp w ciągu ostatnich 10 lat był niezwykle szybki, a perowskity cieszą się coraz większym zainteresowaniem w dziedzinie energii słonecznej.
Podobnie jak wszystkie materiały używane w zastosowaniach ogniw słonecznych, perowskity – dla których ogólny wzór chemiczny to ABX3, gdzie A i B to kationy, a X to anion – są półprzewodnikami.
„Perowskity będą wszechobecne w fotonice i elektronice przez następne 50-100 lat” – uważa Chris Case. „To oszałamiający materiał”.
Z punktu widzenia materiałoznawstwa „istnieje wyjątkowość, dlatego jest tak dobra” – dodaje. „Każdy z atomów jest zorientowany jak zestaw oktaedrów ułożonych jeden na drugim i skręconych. Ten zwrot pozwala na „anomalną” wysoką dyfuzję prądu fotoelektrycznego, co jest całkiem unikalne dla tej struktury, a ludzie wykorzystują tę właściwość… To jest świetne, jest niewiarygodnie transformujące”.
Ponadto materiały używane do syntetycznych perowskitów są obfite, a ilość zużywana na jednostkę mocy wyjściowej ogniwa jest bardzo mała. „Tak więc, z punktu widzenia zasobów, technologię można skalować do poziomu wielu TW”, mówi Case.
Oprócz wykazania rekordowej wydajności, ogniwa i moduły wykorzystujące technologię fotowoltaiczną Oxford „przeszły również zewnętrznie mierzone standardowe branżowe testy niezawodności przeprowadzone przez Międzynarodową Komisję Elektrotechniczną”, dodaje.
Droga na rynek
„Naukowcy wykonali swoją pracę”, mówi Frank Averdung. „Zidentyfikowali materiał. Zrobili strukturę. Pracowali nad uczynieniem go stabilnym i rozwiązali obawy dotyczące trwałości i żywotności. . Pytanie, na które musimy teraz znaleźć odpowiedź, brzmi: jak to komercjalizować?”
Wyzwanie to takie, przed którym stoi prawie każdy start-up z czymś nowym, mówi. „Masz ugruntowany rynek. Masz ugruntowanych graczy na rynku. Masz coś znacznie lepszego. Ale jak sprawić, by ludzie to przyjęli? Jak to robisz?”
Jak podkreśla, uznani gracze to wielomiliardowe firmy, które zainwestowały miliardy w infrastrukturę produkcyjną. „Czy naprawdę są zainteresowani złomowaniem tego wszystkiego i robieniem czegoś nowego?” pyta Averdung.
Dobrą wiadomością jest to, że technologia tandemowa Oxford PV, z krzemem jako podstawowym ogniwem, nie wymaga odrzucania istniejącej technologii produkcyjnej i „nie zakłóca pracy branży”, a to jest główna korzyść.
„Kiedy umieścimy cienkowarstwowe ogniwo perowskitowe na krzemowym 'pierwotnym' ogniwie, nadal ma ono ten sam współczynnik kształtu i nadal wygląda jak konwencjonalne ogniwo Si, ale napięcie wyjściowe jest wyższe”, mówi Averdung. „Możesz używać tych samych narzędzi i wstawiać je do tych samych modułów. Rozmiar panelu jest taki sam. Wszystko jest takie samo. Ale dostajesz znacznie więcej mocy.”
Pod względem wyglądu końcowy użytkownik nie zauważy żadnej większej różnicy, poza tym, że będzie „trochę ładniej wyglądał”, dodaje.
W 2015 r. firma Oxford PV wykazała, że ogniwo tandemowe jest wykonalne, ale musiało „doprowadzić go do wymaganej formy”, wyjaśnia, więc wymagało pilotażowej linii produkcyjnej lub „używanej fabryki”.
Właśnie taka fabryka została znaleziona w Brandenburgu nad Hawelą w Niemczech i przejęta w 2016 r. „W tamtym czasie była dla nas zdecydowanie za duża, ale idealnie pasowała do naszej pilotażowej linii cienkowarstwowej”, która została uruchomiona w 2017 r. ”, mówi Averdung.
„Rola linii pilotażowej polegała i nadal jest zasadniczo na optymalizacji produktu, zebraniu wszystkich wyników z laboratorium w Oxfordzie i skalowaniu ich pod kątem współczynnika kształtu oraz przeprowadzaniu standardowych testów branżowych w celu sprawdzenia, czy ogniwa osiągają wymagane niezawodność i długoterminowa stabilność oraz zaspokojenie potrzeb przemysłu.”
Przez kilka lat Oxford PV współpracował ze wspólnym partnerem rozwojowym, bardzo dużą firmą z branży fotowoltaicznej, „w zasadzie mówiąc nam, czego potrzebuje branża”, mówi Averdung.
Ale w 2018 roku dodaje, że „wszystko, co się zmieniło”, a firma zdecydowała, że „najlepszą i najszybszą drogą do komercjalizacji technologii byłoby zrobienie tego samemu, co pozwoliłoby nam zachować wszystkie parametry technologii pod naszą kontrolą, abyśmy Mogliśmy być pewni, że produkt, gdy pojawił się na rynku, był idealnie dopasowany do wymagań klienta”.
Wymagało to od firmy znalezienia inwestorów, którzy włożyliby w nią pieniądze, co umożliwiłoby jej założenie działalności produkcyjnej. „Mieliśmy szczęście”, mówi Averdung, ponieważ znaleziono wielu wspierających inwestorów. Do głównych udziałowców firmy należą obecnie Equinor, Legal&i; General Capital, Goldwind i Meyer-Burger.
Pieniądze włożone w spółkę przez inwestorów pozwoliły na modernizację przejętej wcześniej fabryki w Brandenburgii i oprócz istniejącej już linii pilotażowej, w innej części zakładu postawił pełną tandemową linię do produkcji ogniw.
Będzie to pierwsza na świecie linia produkcyjna do produkcji tandemowych ogniw słonecznych z perowskitem na krzemie i ma osiągnąć początkową docelową moc 100 megawatów (MW) około drugiego kwartału przyszłego roku.
Ogniwa są sprzedawane producentom modułów (uzgodnienia są już gotowe), a początkowym rynkiem docelowym jest sektor dachów mieszkalnych „premium”. W tym segmencie rynku przestrzeń jest krytycznym ograniczeniem, a zwiększona gęstość mocy zapewniana przez tandemowe ogniwo fotowoltaiczne Oxford jest szczególnie atrakcyjne.
Według Oxford PV, przy znacznie większej ilości energii elektrycznej generowanej przez cały okres eksploatacji instalacji, istnieje gotowość do płacenia znacznych składek za wysokowydajne moduły.
Averdung zwraca uwagę, że koszty ogniw stanowią stosunkowo niewielką część całkowitych kosztów instalacji fotowoltaicznej na dachu mieszkalnym, więc zwiększone koszty ogniw mają tylko stosunkowo niewielki wpływ na ogólną ekonomię w porównaniu z korzyściami ze zwiększonej mocy.
W stronę gigafabryki
Linia produkcyjna o mocy 100 MW i rynek dachów mieszkaniowych to dopiero początek. Wizją Oxford PV jest całkowicie elektryczny świat z perowskitami jako główną technologią słoneczną. Mamy nadzieję, że ostatnia runda finansowania firmy da jej „środki do zaplanowania kolejnego kroku, jakim jest gigafabryka”, mówi Averdung.
Ma nadzieję na uruchomienie 2 gigawatów (GW) mocy produkcyjnych do końca 2024 r. lub mniej więcej około 2 GW rocznie, osiągając do końca dekady ponad 10 GW.
Początkowo rynkiem docelowym jest, jak już wspomniano, dachy mieszkalne klasy premium, ale „to zmieni się, gdy zaczniemy produkcję na skalę GW, wtedy będziemy mogli dodatkowo zająć się sektorem dachów do małych budynków komercyjnych”, mówi Averdung i „gdy tylko przejdziemy do 5 GW i więcej, skala użyteczności jest w zasięgu”.
W skali użytkowej „wszystko zależy od LCOE”, zauważa, „zakładając, że koszt ziemi jest możliwy do opanowania”, a przy zdolności produkcyjnej 5 GW „nasz LCOE będzie bardziej konkurencyjny niż ktokolwiek inny, ale to zajmie trochę czasu. oczywiście kilka lat”.
W końcu „zamierzamy stać się jednym z głównych graczy w fotowoltaice”, mówi Averdung. A opanowanie tego, co Chris Case nazywa „magią” perowskitów, może okazać się kluczem do osiągnięcia tej ambicji.
