Disse fleksible solceller bringer os tættere på at slippe af med vanen med fossilt brændstof

Fotoillustration af en perovskite Foto udlånt af Oxford PV

• Perovskite solceller kan være billigere, lettere, mere energieffektive og nemmere at producere end traditionelt silicium
• De kan sættes på vinduer, uregelmæssigt formede overflader eller endda bevægelige køretøjer og åbne op for en helt ny række af anvendelser for solenergi, såsom afsaltning
• Den største udfordring: at gøre dem holdbare nok

I december sidste år lod forskere i et laboratorium i Oxford, England, skinne en sollampe på en lillebitte solcelle, kun omkring en kvadratcentimeter.

Enheden var faktisk to celler, stablet oven på hinanden. Den nederste var lavet af den type silicium, der bruges i standard solpaneler. Men toppen var perovskite, et materiale med en krystalstruktur, der er særlig dygtig til at omdanne lys til elektricitet.

Et par sonder knyttet til den såkaldte tandemsolcelle målte dens ydeevne. Andre forskere i laboratoriet ved Oxford PV, et firma, der blev drevet ud af universitetet i 2010, samledes bag en fladskærm og ventede forventningsfuldt på, at en beregning af cellens effektivitet skulle dukke op. Da det skete, udvekslede de high fives. Cellen havde omdannet 28 % af energien i lyset til elektricitet, en ny effektivitetsrekord for en perovskit-på-silicium-enhed. En uafhængig test bekræftede det et par dage senere, efter at den lille celle blev sat på et fly til National Renewable Energy Laboratory (NREL) i Golden, Colorado.

Oxford PV's solcelle i kommerciel størrelse (til venstre) og versionen på en centimeter kvadratisk (højre).

Mens siliciumpaneler kan dominere markedet - med omkring 95% markedsandel - er silicium ikke et særligt godt solcellemateriale. Den bruger hovedsageligt lys fra den røde og infrarøde ende af solspektret, og den skal være ret tyk og omfangsrig for at absorbere og omdanne fotoner. De mest effektive siliciumsolpaneler på markedet opnår mindre end 23 % effektivitet, mens det teoretiske maksimum for et enkelt lag silicium er omkring 29 %.

Perovskite, på den anden side, kan bruge mere af det lys, der når det, og kan tunes til at arbejde med forskellige dele af spektret. Oxford PV har valgt den blå ende. Parret i en celle kan de to materialer omdanne flere fotoner til elektroner sammen, end begge kan levere alene.

Oxford PV planlægger at levere solceller baseret på perovskit og silicium til markedet inden udgangen af ​​næste år ved at bruge en tysk fabrik, som det erhvervede i 2016 fra Bosch Solar. De to materialer kommer i en pakke, der ellers ser ud, forsendes og installeres på samme måde som et standard solpanel, i en slags halvt trin, som virksomheden mener vil gøre det nemmere at introducere teknologien til markedet.

Oxford PV's produktionsanlæg i Tyskland. Oxford PV

Det er teknologiforstyrrelser uden forretningsforstyrrelser, siger Chris Case, Oxford PVs teknologichef.

Dusinvis af startups, der havde forsøgt at erstatte silicium for omkring et årti siden, endte i stedet for konkurs eller blev henvist til et nichemarked. Men det har venturekapitalister investeret snesevis af millioner af dollars til perovskite-satsninger i de seneste måneder, hvilket opvarmede det, der længe havde været et frostigt marked for alternative solmaterialer. Spørgsmålet er nu, om perovskites også vil svimle, eller endelig vil slå siliciumpaneler på markedet.

Der er en hel række ting, der gør det til en potentielt transformationsteknologi, siger Joe Berry, der leder perovskitforskningsprogrammet ved National Renewable Energy Laboratory. Men listen over teknologier, der har forsøgt at konkurrere med silicium, er lang og fornem, så man skal også være ydmyg i den forstand.

En solcelle på steroider

I slutningen af ​​2000'erne forsøgte en række velfinansierede startups at kommercialisere nye og mere fleksible solmaterialer, herunder tyndfilmsteknologier som f.eks. cadmium tellurid og kobber indium gallium selenid (husker du Solyndra ?), samt ting som organiske solceller. Løftet var, at celler fremstillet af sådanne materialer ville være langt billigere at fremstille og kunne fremstilles i forskellige former.

Men silicium solpaneler var et hurtigt bevægende mål. Effektivitetsniveauet fortsatte med at forbedre, og priserne faldt, tak til statsfinansieret forskningsindsats, markedsstimuleringspolitikker og stordriftsfordele.

Omkostninger til kommercielle fotovoltaiske anlæg (US-dollars pr. watt jævnstrøm for systemer med fast hældning)

Kilde: National Renewables Energy Laboratory | Diagram oprettet af MIT Technology Review

Især Kina brugte aggressive subsidier og strategier til at fremskynde fremstilling og eksport i en søgen efter at dominere markedet. Nationens modulforsendelser og globale markedsandele tog fart fra midten af ​​2000'erne, hvilket førte til beskyldninger om ulovlig dumping med det formål at slå oversøiske rivaler ud. Priserne på kommercielle siliciumpaneler faldt med mere end det halve fra 2010 til 2013, og markedet for alternativer sank.

Så i disse dage, for at retfærdiggøre de enorme omkostninger ved at bygge nye fabrikker, forsyningskæder og distributionskanaler, skal ethvert nyt materiale være bedre på afgørende måder: mere effektivt, billigere at fremstille, mere alsidigt, længerevarende eller ideelt set alle over.

Perovskite skinner i nogle af disse kategorier. Et enkelt lag kan teoretisk nå 33 % effektivitet, mens en tandem perovskit-på-silicium enhed kan opnå omkring 43 %. Høj effektivitet betyder noget, fordi du kan producere mere elektricitet fra det samme antal paneler eller den samme mængde med et mindre fodaftryk og lavere omkostninger.

Perovskite solcellemoduler burde også være billigere at lave, i det mindste til sidst. At producere siliciumpaneler er et multitrin fremstillingsprocessen det indebærer at raffinere siliciumet under høj varme, tilføre det andre materialer og præcist skære det i skiver, der derefter skal mønstres præcist i et rent rum for at skabe en solcellecelle.

Perovskites, på den anden side, kan fremstilles ved lave temperaturer og bruges i flydende form til at belægge fleksible materialer som plastik, hvilket muliggør en rulle-til-rulle-fremstillingsproces, der ligner avistryk.

Ved at genbruge Boschs tyndfilmsfabrik, forventer Oxford PV at være i stand til at masseproducere silicium- og perovskitceller ved udgangen af ​​næste år og pakke dem sammen til paneler med standardudseende.

Det er en almindelig solcelle på steroider, siger Case.

I marts sagde Oxford PV, at det havde hævet mere end $40 millioner for at få sine produkter på markedet, hvilket bringer dens samlede finansiering og finansiering op på omkring $100 millioner. Fabrikken vil pumpe 250 megawatts celler ud hvert år.

En anden perovskite-startup, Energy Materials, søger også at bruge roll-to-roll-fremstilling. Baseret i Rochester, New York, bruger den filmudstyr, der oprindeligt blev bygget til Eastman Kodak til at masseproducere solpaneler, der kun er perovskit. I fuld skala vil processen koste halvt så meget som at fremstille et traditionelt solcellemodul, mens kapitalomkostningerne vil løbe en størrelsesorden billigere, fordi silicium kræver dyre, præcise maskiner og anlæg, siger Thomas Tombs, virksomhedens teknologichef.

Swift Solars fleksible perovskite solcelle. Swift Solar

Da perovskite kan være fleksibel, semitransparent og let, kan den også bruges, hvor tunge, stive solpaneler ikke ville fungere - på vinduer, knirkende hustage, uregelmæssigt formede overflader eller endda bevægelige køretøjer.

Swift Solar, en NREL-tilknyttet startup, der har hævet næsten $7 millioner i de seneste måneder, er ser på at sætte perovskite-perovskite tandemsolceller - som bruger to perovskitlag, der hver er indstillet til en anden del af spektret - på droner og elektriske køretøjer for at udvide deres rækkevidde, ifølge dets administrerende direktør, Joel Jean. En sådan celle kunne være yderst effektiv, såvel som mere fleksibel og let end en med et tykt siliciumlag.

Låser op for nye anvendelser af solenergi

I hans bog At tæmme solen, Varun Sivaram, teknologichef hos ReNew Power, hævder, at nye solteknologier som perovskites kan være afgørende for i sidste ende at fortrænge fossile brændstoffer.

Men hvorfor har vi brug for endnu billigere solenergi, hvis siliciumpaneler allerede er konkurrencedygtige med f.eks. et kulværk?

Et af de største problemer med solenergi er, at når den først genererer en betydelig del af elektriciteten på nettet, begynder merværdien af ​​det næste panel eller anlæg at falde kraftigt.

Det skyldes, at om natten genererer solfarme slet ikke elektricitet, hvilket betyder, at resten af ​​systemet stadig skal være i stand til at imødekomme den samlede efterspørgsel. På solrige dage kan der derimod være mere strøm, end systemet kan bruge eller opbevare. Det sker allerede i regioner med masser af solenergi, som Tyskland, Kina og Californien.

Netoperatører må jævnligt tvinge eller tilskynde solcellefarme til at skrue ned for deres produktion, ofte ved at presse priserne ned til nul eller endda under. Det kan presse solcelleanlæggenes overskud, hvilket eliminerer de økonomiske incitamenter til at bygge flere af dem og fortsætte med at reducere brugen af ​​fossile brændstoffer.

I en papir offentliggjort i Nature Energy i 2016 beregnede Sivaram og Shayle Kann, nu administrerende direktør for private equity-firmaet Energy Impact Partners, at for at bevare de økonomiske incitamenter til at blive ved med at bygge flere anlæg, ville omkostningerne ved at udvikle solenergi skulle falde til 25 cents per watt . All-in omkostningerne for de billigste kommercielle systemer er $1,06 per watt, ifølge seneste NREL-rapport .

Meget af det skyldes den høje pris for installation og ledning af den omfangsrige hardware. Så at sænke prisen, hvilket dramatisk vil kræve ikke kun smudsbillige solceller, men også lette, fleksible solceller, der er nemmere at installere. Perovskites er det mest lovende materiale til at gøre noget lignende spring i dag, siger Sivaram.

Billig solenergi kan også reducere omkostningerne ved ting som afsaltning af havvand, kunstige træer, der kan plukke kuldioxid fra atmosfæren, eller elektrolyseanlæg, der kan omdanne overskudsenergi til brintbrændstof.

Det låser op for alle disse andre nye applikationer, vi aldrig har tænkt på før, siger Sivaram.

Ustabilitetsproblemet

Det sværere spørgsmål omkring perovskites er deres holdbarhed. Effektivitetsspring betyder ikke meget, hvis materialet kun holder et par måneder eller endda år - og indtil videre har perovskiter haft en tendens til at nedbrydes hurtigt, når de udsættes for ultraviolet lys og fugt.

Det er et meget stort problem for et materiale, der skal ligge under solen i et par årtier. Og hvis virksomheder udruller perovskite-paneler, der ender med at fejle for tidligt, vil det plette materialets omdømme, selvom de senere udvikler mere holdbare versioner.

En PV-medarbejder fra Oxford undersøger tandemsolceller af perovskit-silicium i kommerciel størrelse. Oxford PV

For nu afhænger Oxford PV's markedsplan af, om dens perovskit-siliciumcelle kan fås til at fungere og ligne et standard siliciumsolpanel, som inkluderer emballering i et glashus, der vil hjælpe det med at holde længere.

Men virksomheden var nødt til at arbejde hårdt på selve materialets stabilitet ved at anvende beregningsmodellering og hurtig screening for at udpege lovende kompositioner blandt omkring en halv million muligheder. Virksomhedens opskrift på perovskites er proprietær, men dets administrerende direktør, Frank Averdung, er bullish. Vi har løst pålidelighedsproblemet, siger han. Vi har nået det, og det er grunden til, at vi kan gå ind i produktionstilstand nu.

skjule