Alta-enheder: Find en solcelleløsning

Alta Devices søger at komme ind på et stærkt konkurrencepræget solcellemarked, og håber at bruge en kombination af teknologiske fremskridt og produktionskyndige til at få succes, hvor mange andre er styrtet ned og brændt. Ved

• David Rotman arkiv side

21. februar 2012

Alta Devices er en lille, men velfinansieret startup beliggende i den samme ubeskrivelige kontorbygning i Silicon Valley, som engang fungerede som hovedkvarter for Solyndra, det berygtede solcellefirma, der gik konkurs sidste år efter at have brændt igennem hundredvis af millioner af dollars i offentlige investeringer og ventureinvesteringer. . Om stedet har dårlig karma er stadig ikke klart, joker Altas administrerende direktør, Christopher Norris. Men Norris, en tidligere halvlederindustrileder og venturekapitalist, ved, at hans virksomheds skæbne vil afhænge af dets evne til at navigere i den risikable og dyre proces med at opskalere sin nye teknologi, som han mener kan producere strøm til en konkurrencedygtig pris med fossile brændselsanlæg og langt billigere end nutidens solcellemoduler.

På et bord i Altas konferencerum lægger Norris prøver ud af virksomhedens solceller, fleksible sorte pletter indkapslet i klar plast. De ser ikke bemærkelsesværdige ud, men det er fordi nøgleingrediensen er næsten usynlig: mikroskopisk tynde plader af galliumarsenid. Halvlederen er så god til at absorbere sollys og omdanne det til elektricitet, at en af ​​Altas enheder, der indeholder et aktivt lag af galliumarsenid kun et par mikrometer tykt, for nylig satte rekord for fotovoltaisk effektivitet. Men galliumarsenid er også ekstremt dyrt at bruge i solceller, og tynde film af det har en tendens til at være skrøbeligt og vanskeligt at fremstille. Faktisk ligger Altas innovationer ikke i at vælge materialet - halvlederen har været brugt i solceller på satellitter og rumfartøjer i årtier - men i at finde ud af, hvordan man kan omdanne den til solcellemoduler, der er billige nok til at være praktiske til de fleste anvendelser.

Denne historie var en del af vores marts 2012-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Virksomheden, der blev grundlagt i 2007, er baseret på to af verdens førende akademiske forskere inden for fotoniske materialers arbejde. En af dem, Eli Yablonovitch, nu professor i elektroteknik ved University of California, Berkeley, udviklede og patenterede en teknik til at skabe ultratynde film af galliumarsenid i 1980'erne, da han arbejdede hos Bell Communications Research. Den anden, Harry Atwater, professor i anvendt fysik og materialevidenskab ved Caltech, er en pioner inden for brugen af ​​mikrostrukturer og nanostrukturer til at forbedre materialers evne til at fange lys og omdanne det til elektricitet. Andy Rappaport, en venturekapitalist hos August Capital, slog sig sammen med de to videnskabsmænd for at stifte Alta, rekrutterede med Silicon Valley-veteranen Bill Joy som investor og sammen med de andre medstiftere opbyggede et ledelsesteam, der omfattede Norris. Målet: at lave højeffektive solceller og lave dem billigere end dem, der er baseret på eksisterende siliciumteknologi.

Det er på dette tidspunkt, at mange solcellestartups er gået galt og skynder sig at opskalere en innovativ teknologi, før de forstår dens økonomiske og tekniske udfordringer. I stedet tilbragte Alta sine første år i stealth-mode og forsøgte stille og roligt at finde ud af, som Norris udtrykker det, om dens proces til fremstilling af galliumarsenid-solceller var mere end et videnskabeligt eksperiment og kunne tjene som et levedygtigt grundlag for fremstilling.

Fleksibel kraft: Altas solceller kan laves til bøjelige plader. I denne prøve er en række solceller indkapslet i et tagmateriale.

Rester af det videnskabelige eksperiment er stadig synlige i det beskedne laboratorium bagerst i Altas kontorer. Små keramiske gryder sidder på elektriske kogeplader - levn fra virksomhedens tidlige bestræbelser på at optimere Yablonovitchs teknik med epitaksial liftoff, som bruger syrer til præcist at adskille tynde film af galliumarsenid fra de wafere, de er dyrket på. Andre steder i laboratoriet bliver udstyret gradvist større og mere sofistikeret, hvilket afspejler opskaleringen af ​​processen. I nærheden af ​​et udsigtsvindue, der gør det muligt for potentielle investorer at kigge ind i laboratoriet uden at iføre sig renrumsbeklædning, er en af ​​juvelerne i virksomhedens udviklingsindsats: et langt stykke udstyr, hvor partier af prøver behandles for at skabe tyndfilmsolcellerne . Det er et overbevisende bevis på, at det tidlige arbejde med gryder og kogeplader kan omdannes til en automatiseret proces, der er i stand til at opnå det udbytte, der er nødvendigt for fremstilling i den virkelige verden.

SOL LIFTOFF

Da Bill Joy, en medstifter af Sun Microsystems og nu en førende venturekapitalist i Silicon Valley, første gang så forretningsplanen for det, der blev Alta Devices, ledte han og hans kolleger hos Kleiner Perkins Caufield & Byers allerede efter højeffektiv tyndfilmsolcelle. teknologi. Joy fører en løbende liste – i øjeblikket omkring 12 til 15 genstande lang – over ønskværdige teknologier, som han mener, han har en rimelig chance for at finde. Solceller, der er yderst effektive til at konvertere sollys, og som kan laves billigt i fleksible plader, kunne give måder til dramatisk at sænke de samlede omkostninger ved solenergi. Galliumarsenidteknologi var et naturligt valg for effektivitet, men Altas økonomi var det, der virkelig interesserede investorerne. Deres kernekompetence var, hvordan de kunne fremstilles, siger Joy, der kom til Rappaport som investor inden for få måneder.

Galliumarsenid er et næsten ideelt solmateriale af en række årsager. Ikke alene absorberer det langt mere sollys end silicium - tynde film af det fanger lige så mange fotoner som silicium 100 gange tykkere - men det er mindre følsomt over for varme end siliciumsolceller, hvis ydeevne falder dramatisk over 25 °C. Og galliumarsenid er bedre end silicium til at bevare sine el-producerende evner under forhold med relativt svagt lys, såsom tidligt om morgenen eller sent på eftermiddagen.

Nøglen til at reducere sine produktionsomkostninger er den teknik, som Yablonovitch hjalp med at finde ud af for årtier siden. Halvlederen kan dyrkes epitaksialt: Når tynde lag er kemisk aflejret på et substrat af enkeltkrystal galliumarsenid, antager hver den samme enkeltkrystalstruktur. Yablonovitch fandt ud af, at hvis et lag aluminiumsarsenid er klemt mellem lagene, kan dette selektivt spises væk med en syre, og ovenstående galliumarsenid kan skrælles af. Det var en elegant og enkel måde at skabe tynde film af materialet. Men processen var også problematisk: enkeltkrystalfilmene knækker let og bliver værdiløse. Ved at tilpasse Yablonovitchs fremstillingsmetode har Alta-forskere fundet måder at skabe robuste film, der ikke er tilbøjelige til at revne. Og de tynde film bruger ikke kun lidt af halvledermaterialet, men det værdifulde galliumarsenidsubstrat kan genbruges flere gange, hvilket er med til at gøre processen overkommelig.

Forskning fra Altas stiftende videnskabsmænd har også ført til teknikker til at øge solcellernes ydeevne. Fotovoltaik fungerer, fordi de fotoner, de absorberer, øger energiniveauet af elektroner i halvlederen, og frigør dem til at strømme til metalkontakter og skabe en strøm. Men de roamende elektroner kan spildes på forskellige måder, såsom i varme. I galliumarsenid rekombinerer de frigjorte elektroner dog ofte med positivt ladede huller for at genskabe fotoner og starte processen forfra. Arbejdet udført af Yablonovitch og Atwater for at forklare denne proces har hjulpet Alta med at designe celler til at drage fordel af denne fotongenbrug, hvilket giver mange chancer for at genfange fotoner og omdanne dem til elektricitet.

Alta's effektivitetsrekord: dets celler har omdannet 28,3 procent af sollys til elektricitet, hvorimod den højeste effektivitet for en siliciumsolcelle er 25 procent, og almindeligt anvendte tyndfilmssolmaterialer overstiger ikke 20 procent. Yablonovitch antyder, at Alta har en god chance for til sidst at bryde 30 procent effektivitet og nærme sig den teoretiske grænse på 33,4 procent for celler af sin type.

Den høje effektivitet kombineret med galliumarsenids evne til at fungere ved relativt høje temperaturer og i svagt lys betyder, at cellerne kan producere to eller tre gange mere energi over et år end konventionelle silicium, siger Norris. Og det udmønter sig naturligvis direkte i lavere priser på solenergi. Norris siger, at en ikke urimelig forventning er, at galliumarsenid-teknologien kan give en udjævnet energiomkostning (en almindeligt anvendt industrimåling, der inkluderer levetidsomkostningerne ved at bygge og drive et kraftværk) på syv cents per kilowatt-time. Til en sådan pris, siger Norris, ville solenergi være konkurrencedygtig med fossile brændstoffer, herunder naturgas; nye gasanlæg genererer elektricitet for omkring 10 cents per kilowatt-time. Og det ville afbryde nutidens solenergi, som Norris siger koster omkring 20 cents per kilowatt-time at generere.

Sådanne tal er fristende. Men Norris er hurtig til at komme med en anden: Det koster omkring 1 milliard dollars at bygge en produktionsfacilitet, der er i stand til at producere nok solcellemoduler til at generere en gigawatt strøm, hvilket groft sagt er output fra flere mellemstore kraftværker. Jeg kan ikke se noget scenarie, hvor vi ville gøre det her på egen hånd, siger han.

SPØGELSE AF SOLYNDRA

Silicon Valley har været forelsket i ren teknologi siden midten af ​​2000'erne, men den har endnu ikke fundet ud af noget afgørende: Hvem vil levere alle de nødvendige penge til at opskalere energiteknologier og bygge fabrikker til at fremstille dem? Ventureinvestorer er måske dygtige til at udvælge teknologier, men få af dem har de dybe lommer eller den tålmodighed, der kræves for at konkurrere i en kapitalintensiv forretning som f.eks. fremstilling af solcellemoduler. Sammenbruddet af Solyndra, som byggede en fabrik til 733 millioner dollars i Fremont, Californien, er blot den seneste påmindelse om, hvad der kan gå galt.

Altas ledende investor Andy Rappaport siger, at han normalt holder sig væk fra investeringer i clean tech, herunder solceller. Mange investorer i solenergi, foreslår han, har satset på, at en startup kunne sænke de marginale omkostninger ved fremstilling og dermed erobre nogle markedsandele. Det er en opskrift på fiasko, siger han, for du skal bruge hundredvis af millioner på at bygge en fabrik, før du ved, om du har noget af værdi. Strategien er især risikabel nu, fordi solcelleanlæg bliver en stadig mere konkurrencedygtig råvareforretning, og priserne fortsætter med at falde, hvilket skaber et bevægeligt mål for ny produktion. Men i stedet for at forsøge at skabe værdi ved at opbygge produktionskapacitet, siger Rappaport, kan Alta drage fordel af sin intellektuelle ejendom: Vi har sagt enkelt og konsekvent, at vi kan skalere kapacitet hurtigere og bygge en meget stærkere virksomhed ved at udnytte partnerskaber i stedet for at hæve og bruge vores egen kapital til at bygge fabrikker.

Nuværende investorer i Alta inkluderer GE, Sumitomo og Dow Chemical, som for nylig introducerede tagshingles, der inkorporerer tyndfilm solcelleanlæg (se Kan vi bygge morgendagens gennembrud? januar/februar 2012) . Selvom disse virksomheder har investeret i flere finansieringsrunder – Alta har indtil videre rejst 120 millioner dollars – vil Norris til sidst gerne se aftaler, såsom licensaftaler eller joint ventures, hvor producenter opbygger kapacitet til at producere Altas solceller eller bruge solteknologien i deres produkter. For at gøre det, siger han, er Alta først nødt til at trække risikoen fra produktionsteknologien tilbage og demonstrere over for potentielle partnere, at galliumarsenid-solcellemodulerne faktisk kan produceres på en økonomisk konkurrencedygtig måde.

Mindre end en kilometer fra sit hovedkvarter er Alta i gang med at rense og renovere en bygning, hvor Netflix plejede at opbevare dvd'er, og forvandle den til et pilotanlæg til $40 millioner til at teste sit udstyr. Selvom anlægget er langt mindre end en kommerciel solcellefabrik, er det stadig ikke en lille eller billig virksomhed. Norris ser forsigtigt på de nye søjler, der kræves for at forstærke taget, som skal rumme tungt ventilations- og emissionskontroludstyr. Men Alta-direktøren bliver mere livlig, når han nærmer sig den næsten færdiggjorte bagerste del af anlægget. Der, i flere hvide rum, er de store specialdesignede versioner af laboratorieapparatet, der bruges til at fremstille solcellerne.

Hvorvidt Alta lykkes, afhænger primært af, hvor godt disse fremstillingsopfindelser klarer sig. Omkostningerne til pilotanlægget kan blegne ved siden af ​​prisskiltet for en solcellefabrik i kommerciel skala, men det er stadig en kritisk investering for opstarten. Og selvom Alta har travlt med at forsøge at få anlægget op at køre inden udgangen af ​​året, siger Norris, tager det en bevidst, metodisk tilgang til processen med at opskalere. Det står i skarp kontrast til tidligere solcellestartups, der brugte hundredvis af millioner i ventureinvesteringer for at bygge fabrikker så hurtigt som muligt. Men Altas forsigtige tilgang må ikke forveksles med mangel på ambition. Målet, siger Norris, er at gøre dette til en grundlæggende, transformativ teknologi.

David Rotman er Teknologigennemgang 's redaktør.

skjule