Disse fleksible solcellene bringer oss nærmere vanen med fossilt brensel

Fotoillustrasjon av en perovskitt Foto med tillatelse fra Oxford PV

• Perovskite solceller kan være billigere, lettere, mer energieffektive og lettere å produsere enn tradisjonell silisium
• De kan settes på vinduer, uregelmessig formede overflater eller til og med kjøretøy i bevegelse og åpne opp for en helt ny rekke bruksområder for solenergi, som avsalting
• Den største utfordringen: å gjøre dem holdbare nok

I desember i fjor lyste forskere i et laboratorium i Oxford, England, en sollampe på en bitteliten solcelle, bare omtrent en kvadratcentimeter.

Enheten var faktisk to celler, stablet den ene oppå den andre. Den nederste var laget av den typen silisium som brukes i standard solcellepaneler. Men toppen var perovskitt, et materiale med en krystallstruktur som er spesielt dyktig til å gjøre lys om til elektrisitet.

Et par sonder festet til den såkalte tandemsolcellen målte ytelsen. Andre forskere i laboratoriet ved Oxford PV, et selskap som ble spunnet ut av universitetet i 2010, samlet seg bak en flatskjerm og ventet i forventning på at en beregning av cellens effektivitet skulle vises. Når det gjorde det, byttet de high fives. Cellen hadde konvertert 28 % av energien i lyset til elektrisitet, en ny effektivitetsrekord for en perovskitt-på-silisium-enhet. En uavhengig test bekreftet det noen dager senere, etter at den lille cellen ble satt på et fly til National Renewable Energy Laboratory (NREL) i Golden, Colorado.

Oxford PVs solcelle i kommersiell størrelse (til venstre), og versjonen på én centimeter kvadratisk (til høyre).

Mens silisiumpaneler kan dominere markedet – med rundt 95 % markedsandel – er ikke silisium et spesielt godt solenergimateriale. Den bruker hovedsakelig lys fra den røde og infrarøde enden av solspekteret, og den må være ganske tykk og klumpete for å absorbere og konvertere fotoner. De mest effektive silisium solcellepanelene på markedet oppnår mindre enn 23 % effektivitet, mens det teoretiske maksimum for et enkelt lag med silisium er rundt 29 %.

Perovskite, derimot, kan bruke mer av lyset som når det og kan stilles inn til å fungere med ulike deler av spekteret. Oxford PV har valgt den blå enden. Sammenkoblet i en celle kan de to materialene konvertere flere fotoner til elektroner sammen enn begge kan levere på egen hånd.

Oxford PV planlegger å levere solceller basert på perovskitt og silisium til markedet innen utgangen av neste år, ved å bruke en tysk fabrikk den kjøpte i 2016 fra Bosch Solar. De to materialene kommer i en pakke som ellers ser ut, sendes og installeres på samme måte som et standard solcellepanel, i et slags halvtrinn som selskapet tror vil gjøre det lettere å introdusere teknologien til markedet.

Oxford PVs produksjonsanlegg i Tyskland. Oxford PV

Det er teknologiavbrudd uten forretningsavbrudd, sier Chris Case, teknologisjef i Oxford PV.

Dusinvis av startups som hadde forsøkt å erstatte silisium for rundt ti år siden, havnet i konkurs i stedet eller ble henvist til et nisjemarked. Men det har venturekapitalister investert titalls millioner av dollar i perovskitt-satsinger de siste månedene, og varmet opp det som lenge hadde vært et iskaldt marked for alternative solenergimaterialer. Spørsmålet nå er om perovskitter også vil svekke, eller endelig vil slå silisiumpaneler på markedet.

Det er et helt sett med ting som gjør det til en potensielt transformasjonsteknologi, sier Joe Berry, som leder perovskittforskningsprogrammet ved National Renewable Energy Laboratory. Men listen over teknologier som har prøvd å konkurrere med silisium er lang og særegen, så du må være ydmyk også i den forstand.

En solcelle på steroider

På slutten av 2000-tallet forsøkte en rekke godt finansierte startups å kommersialisere nye og mer fleksible solenergimaterialer, inkludert tynnfilmteknologier som kadmium tellurid og kobberindiumgalliumselenid (husker du Solyndra ?), samt ting som organiske solceller. Løftet var at celler laget av slike materialer ville være langt billigere å produsere og kunne produseres i ulike former.

Men solcellepaneler av silisium var et mål i rask bevegelse. Effektivitetsnivået fortsatte å forbedre seg og prisene falt, Takk til statlig finansiert forskningsinnsats, markedsstimuleringspolitikk og stordriftsfordeler.

Kostnader for kommersielle solcelleanlegg (US dollar per watt likestrøm for systemer med fast tilt)

Kilde: National Renewables Energy Laboratory | Diagram laget av MIT Technology Review

Spesielt Kina brukte aggressive subsidier og strategier for å akselerere produksjon og eksport i et forsøk på å dominere markedet. Nasjonens modulforsendelser og globale markedsandeler tok fart fra midten av 2000-tallet, noe som førte til anklager om ulovlig dumping med sikte på å slå ut oversjøiske rivaler. Prisene på kommersielle silisiumpaneler falt med mer enn halvparten fra 2010 til 2013, og markedet for alternativer sank.

Så i disse dager, for å rettferdiggjøre de enorme utgiftene ved å bygge nye fabrikker, forsyningskjeder og distribusjonskanaler, må ethvert nytt materiale være bedre på avgjørende måter: mer effektivt, billigere å produsere, mer allsidig, langvarig, eller ideelt sett alle ovenfor.

Perovskite skinner i noen av disse kategoriene. Et enkelt lag kan teoretisk oppnå 33 % effektivitet, mens en tandem perovskitt-på-silisium-enhet kan oppnå rundt 43 %. Høy effektivitet er viktig fordi du kan produsere mer strøm fra samme antall paneler, eller samme mengde med mindre fotavtrykk og lavere kostnader.

Perovskite solcellemoduler bør også være billigere å lage, i hvert fall etter hvert. Å produsere silisiumpaneler er et flertrinn fabrikasjonsprosess som innebærer å raffinere silisiumet under høy varme, tilføre det andre materialer og presist skjære det i skiver som deretter må mønstres nøyaktig i et rent rom for å lage en solcellecelle.

Perovskitter, på den annen side, kan produseres ved lave temperaturer og brukes i flytende form for å belegge fleksible materialer som plast, noe som muliggjør en rull-til-rull-produksjonsprosess som ligner på avistrykk.

Ved å gjenbruke Boschs tynnfilmproduksjonsanlegg, forventer Oxford PV å være i stand til å masseprodusere silisium- og perovskittceller innen slutten av neste år, og pakke dem sammen til paneler med standardutseende.

Det er en vanlig solcelle på steroider, sier Case.

I mars sa Oxford PV at det hadde gjort det oppvokst mer enn 40 millioner dollar for å få produktene sine på markedet, noe som bringer den totale finansieringen og finansieringen til rundt 100 millioner dollar. Fabrikken vil pumpe ut 250 megawatts celler hvert år.

En annen perovskite-oppstart, Energy Materials, er også ute etter å bruke rull-til-rull-produksjon. Basert i Rochester, New York, bruker den filmutstyr som opprinnelig ble bygget for Eastman Kodak for å masseprodusere solcellepaneler som kun er perovskitt. I full skala vil prosessen koste halvparten så mye som å produsere en tradisjonell solcellemodul, mens kapitalkostnadene vil bli en størrelsesorden billigere, fordi silisium krever kostbare, presise maskiner og anlegg, sier Thomas Tombs, selskapets teknologisjef.

Swift Solars fleksible perovskitt-solcelle. Swift Solar

Siden perovskitt kan være fleksibelt, halvgjennomsiktig og lett, kan det også brukes der tunge, stive solcellepaneler ikke fungerer - på vinduer, knirkende hustak, uregelmessig formede overflater eller til og med kjøretøy i bevegelse.

Swift Solar, en NREL-tilknyttet oppstart som har oppvokst nesten 7 millioner dollar de siste månedene, er ser på å sette perovskitt-perovskitt tandemsolceller – som bruker to perovskittlag, hver innstilt til en annen del av spekteret – på droner og elektriske kjøretøy for å utvide rekkevidden, ifølge administrerende direktør Joel Jean. En slik celle kan være svært effektiv, så vel som mer fleksibel og lett enn en med et tykt silisiumlag.

Låser opp nye bruksområder for solenergi

I boken hans Å temme solen, Varun Sivaram, teknologisjef i ReNew Power, argumenterer for at nye solenergiteknologier som perovskitter kan være avgjørende for til slutt å fortrenge fossilt brensel.

Men hvorfor trenger vi enda billigere solenergi hvis silisiumpaneler allerede er konkurransedyktige med for eksempel et kullverk?

Et av de største problemene med solenergi er at når den genererer en betydelig del av elektrisiteten på nettet, begynner tilleggsverdien til neste panel eller anlegg å falle kraftig.

Det er fordi solfarmer om natten ikke genererer strøm i det hele tatt, noe som betyr at resten av systemet fortsatt må være i stand til å møte den totale etterspørselen. På solfylte dager kan det derimot være mer strøm enn systemet kan bruke eller lagre. Det skjer allerede i regioner med mye solenergi, som Tyskland, Kina og California.

Nettoperatører må regelmessig tvinge eller stimulere solfarmer til å redusere produksjonen, ofte ved å presse prisene ned til null eller til og med under. Det kan presse solenergianleggenes fortjeneste, noe som eliminerer de økonomiske insentivene til å bygge flere av dem og fortsette å redusere bruken av fossilt brensel.

I en papir publisert i Nature Energy i 2016, beregnet Sivaram og Shayle Kann, nå administrerende direktør for private equity-selskapet Energy Impact Partners, at for å bevare de økonomiske insentivene til å fortsette å bygge flere anlegg, må kostnadene for å utvikle solenergi falle til 25 cent per watt . All-in kostnadene for de billigste kommersielle systemene er $1,06 per watt, ifølge siste NREL-rapport .

Mye av det skyldes den høye prisen på å installere og koble den klumpete maskinvaren. Så å kutte prisen som dramatisk vil kreve ikke bare skittbillige solceller, men også lette, fleksible solceller som er lettere å distribuere. Perovskitter er det mest lovende materialet for å gjøre noe lignende sprang i dag, sier Sivaram.

Billig solenergi kan også redusere kostnadene for ting som avsalting av sjøvann, kunstige trær som kan plukke karbondioksid fra atmosfæren, eller elektrolyseanlegg som kan konvertere overskuddsenergi til hydrogenbrensel.

Den låser opp alle disse andre nye applikasjonene vi aldri har tenkt på før, sier Sivaram.

Ustabilitetsproblemet

Det tøffere spørsmålet rundt perovskitter er deres holdbarhet. Effektivitetssprang spiller ingen rolle om materialet varer bare noen få måneder eller til og med år – og så langt har perovskitter hatt en tendens til å brytes ned raskt når de utsettes for ultrafiolett lys og fuktighet.

Det er et veldig stort problem for et materiale som må ligge under solen i noen tiår. Og hvis selskaper ruller ut perovskittpaneler som ender opp med å svikte for tidlig, vil det svekke materialets rykte selv om de senere utvikler mer holdbare versjoner.

En PV-arbeider fra Oxford undersøker perovskitt-silisium-tandemsolceller i kommersiell størrelse. Oxford PV

Foreløpig avhenger Oxford PVs markedsplan av om perovskitt-silisiumcellen kan få den til å fungere og se ut som et standard silisiumsolcellepanel, som inkluderer å pakke det i et glasshus som vil hjelpe det å vare lenger.

Men selskapet måtte jobbe hardt med stabiliteten til selve materialet, ved å bruke beregningsmodellering og rask screening for å finne lovende komposisjoner blant rundt en halv million muligheter. Selskapets oppskrift på perovskitter er proprietær, men administrerende direktør, Frank Averdung, er bullish. Vi har løst pålitelighetsproblemet, sier han. Vi har klart det, og dette er grunnen til at vi kan gå inn i produksjonsmodus nå.

gjemme seg