Kilde: nsenergybusiness.com
Oxford PV blir det første selskapet som selger perovskite-silisiumbaserte solceller til boligmarkedet neste år.
Oxford PV bruker et "tandem" konsept der en tynn film av perovskite påføres en konvensjonell silisium primærcelle (Credit: Oxford PV)
Oxford PV, som beskriver seg selv som «perovskite-selskapet», planlegger å være en sentral aktør i det selskapet ser på som den solcelledrevne helelektriske fremtiden. James Varley, forfatter for magasinet Modern Power Systems, tar en titt på hvordan selskapet har som mål å nå dette målet.
Neste år, hvis alt går etter planen, vil Oxford PV bli det første selskapet som selger perovskite-silisiumbaserte solceller til boligmarkedet. De vil ha en potensielt banebrytende effektivitet, omtrent 20% høyere enn dagens sittende teknologi, silisium-bare celler.
Oxford PV bruker et "tandem" konsept der en tynn film av perovskite påføres en konvensjonell silisium primær (eller bunn) celle (perovskite tykkelse er ca 1/200th av silisium).
Denne tandemtilnærmingen forbedrer evnen til å fange bestemte deler av solspekteret, spesielt i den høyenergite, blå enden, noe som betyr at perovskite-on-silicon tandemcellen har en teoretisk effektivitetsgrense på 43% vs 29% for silisiumceller.
I praksis er den gjennomsnittlige effektiviteten til boligsilisium PV installert til dags dato i området 15-20%, mens det "virkelige" maksimumet for silisium er anslått til å være ca 26%.
De tidlige kommersielt produserte Oxford PV tandemcellene forventes å oppnå en effektivitet på omtrent 27% i utgangspunktet, men selskapet forventer stabile forbedringer etter hvert som teknologien utvikler seg i de kommende årene. «Vi har et klart veikart for å ta denne teknologien utover 30 %», sier administrerende direktør Frank Averdung.
Dr. Chris Case, CTO ved Oxford PV, bemerker at siden 2014, da selskapet bestemte seg for å fokusere utelukkende på perovskite-Si-tandem, har det økt effektiviteten til solcellen omtrent med ett prosentpoeng per år i gjennomsnitt og har en vei og det teoretiske grunnlaget for å videreutvikle denne teknologien helt til de høye 30-tallet.
En forskningscelle som bruker Oxford PV-teknologien har allerede oppnådd 29,52% (som sertifisert av US National Renewable Energy Laboratory), en verdensrekord for perovskite-Si tandemceller og også bedre enn noen enkeltkrysset forskningscelle (som den nåværende rekorden, 29,2%, holdes av en celle som bruker GaAs).
Perovskite ble først oppdaget i sin naturlig forekommende mineralform (CaTiO3) i 1839 (tilfeldigvis samme år som den fotovoltaiske effekten først ble observert, påpeker Chris Case). Men det er bare de siste ti årene eller så at det enorme potensialet for syntetiske perovskites som materiale for solceller har blitt fullt anerkjent.
Prof Henry Snaith, som var med på å grunnlegge Oxford PV i 2010 for å kommersialisere solteknologi overført fra sitt laboratorium ved University of Oxford (og er selskapets vitenskapelige sjef), har spilt en nøkkelrolle i dette, spesielt via en artikkel publisert i Science i 2012, som beskriver en levedyktig solid-state solcelleteknologi som bruker metallhalogen perovskite.
Fremgangen de siste 10 årene har vært bemerkelsesverdig rask, og perovskites tiltrekker seg økende interesse for solfeltet.
Som alle materialer som brukes i solcelleapplikasjoner, perovskites - som den generiske kjemiske formelen er ABX3, hvor A og B er kasjoner og X er anionen - er halvledere.
– Perovskites vil være allestedsnærværende innen fotonikk og elektronikk de neste 50-100 årene, mener Chris Case. "Det er det fantastiske materialet."
Fra et materialvitenskapelig ståsted er det «en unikhet, det er derfor det er så bra», legger han til. "Hvert av atomene er orientert som et sett med oktaedra som er stablet oppå hverandre, og vridd. Denne vrien tillater 'uregelmessig' høy fotostrøm diffusjon, og det er ganske mye unikt for denne strukturen, og folk utnytter denne eiendommen ... Dette er flott, det er utrolig transformativt.
Også materialene som brukes til syntetiske perovskites er rikelig, og mengden som brukes per enhet av celleutgang er svært liten. «Så fra et ressursperspektiv er teknologien i stand til å bli skalert til det mange TW-nivået», sier Case.
Og i tillegg til å demonstrere rekordeffektivitet, har celler og moduler ved hjelp av Oxford PV-teknologien også «bestått eksternt målte pålitelighetstester av industristandard fra International Electrotechnical Commission», legger han til.
Veien til markedet
–Forskerne har gjort jobben sin, sier Frank Averdung. – De har identifisert materialet. De har laget strukturen. De har jobbet med å gjøre det stabilt og har tatt opp bekymringer om holdbarhet og levetid. Spørsmålet vi må finne ut et svar på nå er: hvordan kommersialiserer vi det?
Utfordringen er en som stort sett alle oppstartsbedrifter står overfor noe nytt, sier han. " Du har et etablert marked. Du har etablert markedsaktører. Du har noe betydelig bedre. Men hvordan får du folk til å omfavne det? Hvordan får du det til å skje?"
Som han påpeker, er de etablerte aktørene selskaper med flere milliarder dollar, og de har investert milliarder i en produksjonsinfrastruktur. «Er de virkelig interessert i å skrape alt dette og gjøre noe nytt?» spør Averdung.
Den gode nyheten er at Oxford PV tandemteknologi, med silisium som primærcelle, ikke krever jettisoning av eksisterende produksjonsteknologi og "forstyrrer ikke bransjen", og dette er en stor fordel.
–Når vi legger en tynn filmperovskitecelle oppå silisiumcellen, har den fortsatt samme formfaktor og ser fortsatt ut som en konvensjonell Si-celle, men utgangsspenningen er høyere, sier Averdung. "Du kan bruke de samme verktøyene og sette dem inn i de samme modulene. Panelstørrelsen er den samme. Alt er det samme. Men du får betydelig mer strøm ut.
Når det gjelder utseende, vil sluttbrukeren ikke merke noen stor forskjell, bortsett fra at den vil "se litt finere ut", legger han til.
I 2015 viste Oxford PV at tandemcellen var gjennomførbar, men måtte «bringe den til ønsket formfaktor», forklarer han, og krevde derfor en pilotproduksjonslinje eller «brukt fabrikk».
Bare en slik fabrikk ble funnet i Brandenburg an der Havel, Tyskland, og kjøpt i 2016. «Det var altfor stort for oss den gangen, men passet perfekt til vår tynnfilmpilotlinje», som var i gang i 2017, sier Averdung.
"Pilotlinjens rolle var, og er fortsatt, i hovedsak produktoptimalisering, å ta alle resultatene fra Oxford-laboratoriet og skalere dem opp formfaktormessig og utføre industristandardtesting for å verifisere at cellene oppnår den nødvendige påliteligheten og langsiktig stabilitet, og oppfyller bransjebehovene."
I noen år jobbet Oxford PV med en felles utviklingspartner, et veldig stort selskap i fotovoltaikkbransjen, "i utgangspunktet å fortelle oss hva bransjen ville ønske", sier Averdung.
Men i 2018 legger han til at «alt som endret seg», og selskapet bestemte at den «beste og raskeste veien til kommersialisering av teknologien ville være å gjøre det selv, slik at vi kunne holde alle parametrene for teknologien under vår kontroll, slik at vi kunne være sikre på at produktet, når det kom til markedet, passet perfekt til kundenes krav».
Dette krevde at firmaet fant investorer som ville sette inn penger i det, slik at det kunne sette opp en produksjonsoperasjon. – Vi var heldige, sier Averdung, som fant en rekke støttende investorer. Selskapets største aksjonærer inkluderer nå Equinor, Legal & General Capital, Goldwind og Meyer-Burger.
Pengene som investorene satte inn i selskapet gjorde det mulig å oppgradere Brandenburg-fabrikken som tidligere var anskaffet, og i tillegg til pilotlinjen som allerede var der, etablerer en full tandemcelleproduksjonslinje i en annen del av anlegget.
Dette vil være verdens første volumproduksjonslinje for perovskite-on-silicon tandem solceller og forventes å oppnå en innledende målkapasitet på 100 megawatt (MW) rundt andre kvartal neste år.
Cellene selges til modulprodusenter (ordninger er allerede på plass), og det opprinnelige målmarkedet er "premium" boligtaksektoren. I dette segmentet av markedet er rommet en kritisk begrensning, og den økte krafttettheten fra Oxford PV-tandemcellen er spesielt attraktiv.
Med mye mer strøm generert i løpet av installasjonens levetid, er det vilje til å betale betydelige premier for høyeffektive moduler, mener Oxford PV.
Averdung påpeker at kostnadene ved cellene utgjør en relativt liten andel av de totale kostnadene ved en boliginstallasjon på taket, slik at økte cellekostnader bare har en relativt liten effekt på den samlede økonomien sammenlignet med fordelene ved økt produksjon.
Mot gigafaktorisk
Produksjonslinjen på 100 MW, og boligmarkedet på taket, blir sett på som bare begynnelsen. Oxford PV visjon er en helelektrisk verden med perovskites som en vanlig solteknologi. Det er håpet at selskapets siste finansieringsrunde vil gi det «midler til å planlegge neste trinn, som er en gigafaktorisk», sier Averdung.
Han håper å ha 2 gigawatt (GW) produksjonskapasitet i drift innen utgangen av 2024 eller derav, og deretter legge til ca 2GW per år, og nå mer enn 10GW innen slutten av tiåret.
I utgangspunktet er målmarkedet, som allerede nevnt, premium boligtaket, men "dette vil endre seg når vi kommer inn i GW-skalaproduksjon, da vil vi kunne adressere, i tillegg, den små kommersielle taksektoren", sier Averdung, og "så snart vi flytter til 5GW og utover, er nytteskala innen rekkevidde".
I bruksskala, "det handler om LCOE", observerer han, "forutsatt at kostnadene for landet ditt er håndterbare", og med 5 GW produksjonskapasitet "vår LCOE vil være mer konkurransedyktig enn noen andres, men det vil selvfølgelig ta noen år".
Til slutt «har vi tenkt å bli en av de store aktørene innen fotovoltaikk», sier Averdung. Og å mestre det Chris Case kaller "magien" til perovskites kan vise seg å være nøkkelen til å oppnå den ambisjonen.
