Vir: nsenergybusiness.com
Oxford PV bo naslednje leto postal prvo podjetje, ki bo sončne celice na osnovi perovskite-silikona prodalo stanovanjski strešni tržnici.
Oxford PV zaposluje "tandem" koncept, v katerem se tanek film perovskite uporablja za konvencionalno silicon primarno celico (Credit: Oxford PV)
Podjetje Oxford PV, ki se opisuje kot "podjetje Perovskite", načrtuje, da bo ključni igralec v tem, kar vidi kot sončno električno prihodnost. James Varley, pisatelj revije Modern Power Systems, si ogleje, kako si podjetje prizadeva doseči ta cilj.
Naslednje leto, če bo šlo vse po načrtu, bo oxfordski PV postal prvo podjetje, ki bo sončne celice na osnovi perovskite-silikona prodalo stanovanjskemu strešnem trgu. Imeli bodo potencialno spreminjajoč se učinkovitost igre, ki bo približno 20% višja od sedanje tehnologije, samo silikonske celice.
Oxford PV uporablja "tandem" koncept, pri katerem se tanka folija perovskite uporablja za konvencionalno silicon primarno (ali dno) celico (debelina perovskite je približno 1/200th od silicon).
Ta tandemski pristop izboljšuje sposobnost zajemanja posebnih delov sončnega spektra, zlasti na visokoenergetskem, modrem koncu, kar pomeni, da ima tandemska celica perovskite na siliciji teoretično mejo učinkovitosti 43% vs 29% za celice, ki so samo silikon.
V praksi je povprečna učinkovitost do danes nameščene stanovanjske silicijske PV v razponu od 15 do 20 %, medtem ko je največji »realni svet« za silikon ocenjen na približno 26 %.
Zgodnje komercialno proizvedene oxfordske PV tandemske celice naj bi sprva dosegle približno 27-odstotno učinkovitost, vendar podjetje pričakuje staležne izboljšave, saj se tehnologija razvija v prihajajočih letih. "Imamo jasen načrt, da vzamemo to tehnologijo preko 30%," pravi predsednik uprave Frank Averdung.
Dr. Chris Case, CTO na Oxford PV, ugotavlja, da je od leta 2014, ko se je podjetje odločilo, da se osredotoči izključno na tandem Perovskite-Si, je povečala učinkovitost svoje sončne celice približno za eno odstotno točko na leto v povprečju in ima pot in teoretične temelje za nadaljnji razvoj te tehnologije vse do visokih 30-tih.
Raziskovalna celica, ki uporablja tehnologijo Oxford PV, je dosegla že 29,52 % (kot je potrdil nacionalni laboratorij ZDA za obnovljivo energijo), svetovni rekord v tandemskih celicah Perovskite-Si in tudi boljši od katere koli enosmerne raziskovalne celice (za katero trenutni rekord, 29,2 %, ima celica, ki zaposluje GaAs).
Perovskite so prvič odkrili v naravni mineralni obliki (CaTiO3) leta 1839 (naključno istega leta, kot je bil prvi opažen fotonapetostni učinek, poudarja Chris Case). Toda šele v zadnjih desetih letih je bil v celoti prepoznan ogromen potencial sintetičnih perovskitov kot materiala za sončne celice.
Prof Henry Snaith, ki je leta 2010 soustal Oxford PV, da bi komercializiral sončno tehnologijo, preneseno iz svojega laboratorija na Univerzi v Oxfordu (in je glavni znanstveni častnik podjetja), je imel ključno vlogo pri tem, predvsem preko dela, objavljenega v Znanosti leta 2012, v kateri je opisana zanesljiva tehnologija sončnih celic v trdnem stanju, ki zaposluje kovinski halid perovskite.
Napredek v zadnjih 10 letih je bil izjemno hiter, perovskite pa privlačijo vse večje zanimanje za sončno polje.
Kot vsi materiali, ki se uporabljajo v aplikacijah sončnih celic, so perovskiti – za katere je generična kemijska formula ABX3, kjer sta A in B kacijo, X pa anion – polvodniki.
"Perovskites bo v fotoniki in elektroniki vseprisotna naslednjih 50-100 let," je prepričan Chris Case. "To je tisto osupljivo gradivo."
Z vidika znanosti o materialih "obstaja edinstvenost, zato je tako dobro," dodaja. "Vsak od atomov je usmerjen kot sklop oktahedra, ki so naloženi drug na drugega, in zvit. Ta preobrat omogoča "anomalno" visoko fotokurentno difuzijo, in to je precej edinstveno za to strukturo, in ljudje izkoriščajo to lastnino... Ta stvar je super, neverjetno transformativna."
Prav tako so materiali, uporabljeni za sintetične perovskite, obilni, količina, uporabljena na enoto izhoda celic, pa je zelo majhna. "Torej, s stališča virov je tehnologija sposobna biti pootežena na veliko ravni TW," pravi Case.
Poleg tega pa so celice in moduli, ki uporabljajo tehnologijo Oxford PV, tudi "opravile zunanje izmerjene teste zanesljivosti standardne industrije mednarodne elektrotehniične komisije," dodaja.
Pot do trga
"Znanstveniki so opravili svoje delo," pravi Frank Averdung. "Identificirali so gradivo. Naredili so zgradbo. Delali so na tem, da bi bila stabilna in so obravnavali pomisleke glede trajnosti in življenjske dobe. Vprašanje, na kar moramo zdaj ugotoviti, je: kako ga komercializirati?"
Izziv je tisti, s katerim se sooča skoraj vsak start-up z nečim novim, pravi. "Imate uveljavljen trg. Ustanovili ste tržne igralce. Imaš nekaj bistveno boljšega. Ampak kako naj ljudje to sprejmejo? Kako naj se to zgodi?"
Kot poudarja, so uveljavljeni igralci več milijard dolarjev podjetja in vložili so milijarde v proizvodno infrastrukturo. »Ali jih res zanima, da bi vse to razčlenjeli in naredili kaj novega?« se sprašuje Averdung.
Dobra novica je, da tehnologija oxfordskega PV tandema, s silikonom kot primarno celico, ne zahteva jettisoning obstoječe proizvodne tehnologije in "ne moti industrije", in to je velika korist.
"Ko na vrh siliconske 'primarne' celice postavimo tanko folijo perovskite celice, ima še vedno enak faktor oblike in še vedno izgleda kot običajna Si celica, vendar je izhodna napetost višja," pravi Averdung. "Lahko uporabite ista orodja in jih vstavite v iste module. Velikost plošče je enaka. Vse je enako. Vendar dobiš bistveno več energije."
V smislu videza končni uporabnik ne bo opazil nobene večje razlike, le da bo "videti malo lepše", dodaja.
Leta 2015 je oxfordska PV pokazala, da je tandemska celica izvedljiva, vendar jo je bilo treba "pripeljati do zahtevanega faktorja oblike", pojasnjuje, zato je bila potrebna pilotna proizvodna linija ali "rabljena tovarna".
Ravno taka tovarna je bila najdena v Brandenburgu na der Havelu v Nemčiji in pridobljena leta 2016. "Bilo je veliko preveliko za nas v tem času, vendar je bilo odlično primerna za našo tanko-film pilot linijo", ki je bila gor in teče v 2017," pravi Averdung.
"Vloga pilotne linije je bila in še vedno je v bistvu optimizacija proizvodov, ki je vzela vse rezultate iz oxfordske laboratorija in jih poostrla s faktorjem in opravila testiranje standardnih industrijskih standardov, da bi preverila, ali celice izpolnjujejo zahtevano zanesljivost in dolgoročno stabilnost ter izpolnjujejo potrebe industrije."
Podjetje Oxford PV je nekaj let sodelovalo s skupnim razvojnim partnerjem, zelo velikim podjetjem v fotonapetostnem poslu, »v bistvu nam pove, kaj bi industrija želela«, pravi Averdung.
A leta 2018 dodaja, da se je "vse to spremenilo", podjetje pa se je odločilo, da bo "najboljša in najhitrejša pot do komercializacije tehnologije to, da to storimo sami, kar nam omogoča, da ohranimo vse parametre tehnologije pod našim nadzorom, tako da smo lahko prepričani, da je bil izdelek, ko je prišel na trg, popolnoma ustreza zahtevam strank".
To je zahtevalo, da podjetje najde vlagatelje, ki bi vanje dali denar, kar mu je omogočilo, da je lahko postavilo proizvodno operacijo. "Imeli smo srečo", pravi Averdung, saj so našli številne podporne vlagatelje. Glavni delničarji družbe zdaj vključujejo Equinor, Legal & General Capital, Goldwind in Meyer-Burger.
Denar, ki so ga vlagatelji dali v podjetje, je omogočil nadgradnjo tovarne Brandenburg, ki je bila prej pridobljena, in poleg pilotne linije, ki je že tam, vzpostavila polno proizvodno linijo za tandemske celice v drugem delu objekta.
To bo prva proizvodna linija na svetu za sončne celice Perovskite-on-silicon tandem, prihodnje leto pa naj bi dosegla začetno ciljno zmogljivost 100 megavatov (MW).
Celice se prodajajo modularji (ureditev je že na mestu), začetni ciljni trg pa je "premium" stanovanjski strešni sektor. V tem segmentu trga je prostor kritična omejitev in povečana gostota moči, ki jo zagotavlja tandemska celica Oxford PV, je še posebej privlačna.
Z veliko več električne energije, ki se proizvaja v času življenja naprave, je pripravljena plačati znatne premije za visokoučinkovite module, meni Oxford PV.
Averdung poudarja, da stroški celic predstavljajo razmeroma majhen delež skupnih stroškov stanovanjske strešne PV instalacije, zato imajo povečani stroški celic le relativno majhen učinek na splošno ekonomijo v primerjavi s koristmi povečanega izložka.
Proti gigafaktory
Proizvodna linija 100-MW in stanovanjski strešni trg se vidita kot šele začetek. Oxfordska PV vizija je vseelektrični svet s perovskiti kot mainstream sončno tehnologijo. Upajo, da mu bo zadnji krog financiranja podjetja dal "sredstva za načrt naslednjega koraka, ki je gigafaktno", pravi Averdung.
Upa, da bo do konca leta 2024 v obratovanju imel 2 gigavata (GW) proizvodne zmogljivosti, nato pa še približno 2GW na leto in do konca desetletja dosegel več kot 10GW.
Sprva je ciljni trg, kot smo že opazili, premijska stanovanjska streha, vendar "se bo to spremenilo, ko pridemo v proizvodnjo GW lestvice, potem bomo lahko obravnavali tudi sektor malokomercialne strehe", pravi Averdung in "takoj, ko se premaknemo na 5GW in naprej, je uporabnostna lestvica na dosegu roke".
Na področju komunalnih dejavnosti je "vse o LCOE", ugotavlja, "ob predpostavki, da je strošek vašega zemljišča obvladljiv", in pri 5-GW proizvodnih zmogljivostih "naš LCOE bo bolj konkurenčen kot kdorkoli drug, vendar bo to trajalo nekaj let, seveda".
Na koncu "nameravamo postati eden večjih igralcev fotovoltaika", pravi Averdung. In obvladanje tega, kar Chris Case imenuje "čarovnija" perovskites bi se lahko izkazalo za ključ do doseganja te ambicije.
