Zdroj: nsenergybusiness.com
Oxford PV sa stane prvou spoločnosťou, ktorá v budúcom roku predá solárne články na báze perovskite na báze kremíka na rezidenčný strešný trh.
Oxford PV využíva "tandemový" koncept, v ktorom sa tenký film perovskite aplikuje na konvenčnú primárnu silikónovú primárnu bunku (Credit: Oxford PV)
Oxford PV, ktorý sám seba opisuje ako "perovskite spoločnosť", plánuje byť kľúčovým hráčom v tom, čo vidí ako solárnu, úplne elektrickú budúcnosť. James Varley, spisovateľ časopisu Modern Power Systems, sa pozrie na to, ako sa spoločnosť snaží dosiahnuť tento cieľ.
Budúci rok, ak všetko pôjde podľa plánu, Oxford PV sa stane prvou spoločnosťou, ktorá predá solárne články na báze perovskite na báze kremíka na obytný strešný trh. Budú mať potenciálne hernú účinnosť, asi o 20% vyššiu ako súčasná etablovaná technológia, bunky iba na báze kremíka.
Oxford PV využíva "tandemový" koncept, v ktorom sa tenký film perovskite aplikuje na konvenčnú primárnu (alebo spodnú) bunku kremíka (hrúbka perovskitu je približne 1/200 hrúbky kremíka).
Tento tandemový prístup zlepšuje schopnosť zachytiť špecifické časti slnečného spektra, najmä na vysoko energetickom modrom konci, čo znamená, že tandemová bunka perovskite-on-silicon má teoretický limit účinnosti 43% oproti 29% pre články iba na kremík.
V praxi je priemerná účinnosť doteraz inštalovaného fotovoltického kremíka v domácnostiach v rozsahu 15 - 20 %, zatiaľ čo maximum "reálneho sveta" pre kremík sa odhaduje na približne 26 %.
Očakáva sa, že skoré komerčne vyrábané oxfordské fotovoltické tandemové články dosiahnu spočiatku účinnosť približne 27 %, ale spoločnosť očakáva stabilné zlepšenia, ako sa technológia vyvíja v nasledujúcich rokoch. "Máme jasný plán, ako túto technológiu dostať nad 30 %," hovorí generálny riaditeľ Frank Averdung.
Dr. Chris Case, CTO spoločnosti Oxford PV, poznamenáva, že od roku 2014, keď sa spoločnosť rozhodla zamerať výlučne na tandem perovskite-Si, zvýšila účinnosť svojho solárneho článku v priemere o jeden percentuálny bod ročne a má cestu a teoretické základy na ďalší rozvoj tejto technológie až do 30-tych rokov.
Výskumná bunka využívajúci oxfordskú fotovoltickú technológiu už dosiahla 29,52 % (ako potvrdilo americké Národné laboratórium pre obnoviteľné zdroje energie), čo je svetový rekord pre tandemové bunky perovskite-Si a tiež lepšie ako ktorákoľvek výskumná bunka s jednou križovatkou (pre ktorú súčasný rekord 29,2 % drží bunka využívajúci GaAs).
Perovskite bol prvýkrát objavený vo svojej prirodzene sa vyskytujúcej minerálnej forme (CaTiO3) v roku 1839 (zhodou okolností v tom istom roku, v akom bol prvýkrát pozorovaný fotovoltaický účinok, upozorňuje Chris Case). Ale až za posledných desať rokov bol plne uznaný obrovský potenciál syntetických perovskitov ako materiálu pre solárne články.
Významnú úlohu v tom zohral prof. Henry Snaith, ktorý v roku 2010 spoluzakladal Oxfordskú FV spoločnosť na komercializáciu solárnej technológie presunutý zo svojho laboratória na Oxfordskej univerzite (a je hlavným vedeckým dôstojníkom spoločnosti), najmä prostredníctvom dokumentu uverejneného v časopise Science v roku 2012, v ktorom sa opisuje životaschopná technológia pevných solárnych článkov využívajúca halogenid kovu perovskite.
Pokrok za posledných 10 rokov bol pozoruhodne rýchly a perovskites priťahujú rastúci záujem o solárne pole.
Rovnako ako všetky materiály používané v aplikáciách solárnych článkov, perovskites – pre ktoré je všeobecný chemický vzorec ABX3, kde A a B sú cácie a X je anión - sú polovodiče.
"Perovskites budú v najbližších 50 až 100 rokoch všadeprítomní vo fotonike a elektronike," myslí si Chris Case. "Je to ten ohromujúci materiál."
Z materiálového vedeckého hľadiska "existuje jedinečnosť, preto je taká dobrá," dodáva. "Každý z atómov je orientovaný ako súbor oktahedry, ktoré sú naskladané na seba a skrútené. Tento zvrat umožňuje "anomálnu" vysokú fotoprúdovú difúzu, a to je pre túto štruktúru do značnej miery jedinečné a ľudia využívajú túto vlastnosť... Táto vec je skvelá, neuveriteľne transformačná."
Tiež materiály používané pre syntetické perovskites sú hojné a množstvo použité na jednotku bunkového výstupu je veľmi malé. "Takže z hľadiska zdrojov je možné technológiu zmenšiť na mnoho úroveň TW," hovorí Case.
Okrem preukázania rekordnej účinnosti prešli články a moduly využívajúce technológiu Oxford PV aj "prešli externe meranými testami spoľahlivosti v odvetví od Medzinárodnej elektrotechnickej komisie", dodáva.
Cesta na trh
"Vedci si svoju prácu odniesli," hovorí Frank Averdung. "Identifikovali materiál. Urobili štruktúru. Pracovali na tom, aby bola stabilná, a riešili obavy týkajúce sa trvanlivosti a životnosti. Otázka, na ktorú musíme teraz prísť, znie: ako ju komercializujeme?"
Hovorí, že výzve čelí takmer každý startup s niečím novým. "Máte etablovaný trh. Založili ste trhových hráčov. Máš niečo podstatne lepšie. Ale ako chcete, aby to ľudia prijali? Ako to zarobíš?"
Ako podoteli, etablovaní hráči sú multimiliardové spoločnosti a investovali miliardy do výrobnej infraštruktúry. "Naozaj majú záujem to všetko zrušiť a urobiť niečo nové?" pýta sa Averdung.
Dobrou správou je, že oxfordská FV tandemová technológia s kremíkom ako primárnou bunkou nevyžaduje vytúžitie existujúcej výrobnej technológie a "nenarušuje priemysel", čo je veľkým prínosom.
"Keď položíme tenkú filmovú perovskite bunku na silikónovú 'primárnu' bunku, stále má rovnaký form factor a stále vyzerá ako konvenčný Si článok, ale výstupné napätie je vyššie," hovorí Averdung. "Môžete použiť rovnaké nástroje a vložiť ich do rovnakých modulov. Veľkosť panela je rovnaká. Všetko je rovnaké. Ale vysuniete podstatne viac energie."
Pokiaľ ide o vzhľad, koncový používateľ si nevšimne žiadny väčší rozdiel, okrem toho, že bude "vyzerať trochu krajšie", dodáva.
V roku 2015 Oxford PV preukázal, že tandemová bunka je uskutočniteľná, ale je potrebné ju "priviesť k požadovanému form factoru", vysvetľuje, takže si to vyžadovalo pilotnú výrobnú linku alebo "použitú továreň".
Práve takáto továreň bola nájdená v Brandenbursku an der Havel v Nemecku a získaná v roku 2016. "V tom čase to bolo pre nás príliš veľké, ale perfektne sa hodilo na našu pilotnú líniu tenkého filmu, ktorá bola spustená v roku 2017," hovorí Averdung.
"Úlohou pilotnej linky bola a stále je v podstate optimalizácia produktov, pričom sa berú všetky výsledky z oxfordského laboratória a zdržujú sa z hľadiska form factoru a vykonávajú štandardné testovanie, aby sa overilo, či bunky dosahujú požadovanú spoľahlivosť a dlhodobú stabilitu a spĺňajú potreby priemyslu."
Spoločnosť Oxford PV niekoľko rokov spolupracovala so spoločným rozvojovým partnerom, veľmi veľkou spoločnosťou v oblasti fotovoltiky, "v podstate nám hovorila, čo by priemysel chcel", hovorí Averdung.
Ale v roku 2018 dodáva, že "všetko, čo sa zmenilo", a spoločnosť sa rozhodla pre "najlepšiu a najrýchlejšiu cestu k komercializácii technológie, by bolo urobiť to sami, čo nám umožní udržať všetky parametre technológie pod našou kontrolou, aby sme si mohli byť istí, že výrobok, keď príde na trh, bol dokonale vhodný pre požiadavky zákazníkov".
To si vyžadovalo, aby firma našla investorov, ktorí by do neho vložili peniaze, čo by jej umožnilo zriadiť výrobnú operáciu. "Mali sme šťastie," hovorí Averdung, keďže sa našlo množstvo podporných investorov. Medzi hlavných akcionárov spoločnosti teraz patria Equinor, Legal & General Capital, Goldwind a Meyer-Burger.
Peniaze, ktoré do spoločnosti vložili investori, znemáhodli modernizáciu predtým nadobudnutého brandenburskej továrne a okrem pilotnej linky, ktorá už existuje, zriadili plnú výrobnú linku tandemových článkov v inej časti zariadenia.
Bude to prvá objemová výrobná linka na svete pre tandemové solárne články perovskite-on-silicon a očakáva sa, že v budúcom roku dosiahne počiatočnú cieľovú kapacitu 100 megawattov (MW) okolo 2.
Články sa predávajú výrobcom modulov (opatrenia sú už zavedené) a počiatočným cieľovým trhom je "prémiový" strešný sektor obytných budov. V tomto segmente trhu je priestor kritickým obmedzením a zvýšená hustota výkonu, ktorú poskytuje oxfordský fotovoltický tandemový článok, je obzvlášť atraktívna.
Keďže počas životnosti zariadenia sa vyrába oveľa viac elektrickej energie, existuje ochota zaplatiť značné prémie za vysokoúčinné moduly, domnieva sa Oxford PV.
Averdung poukazuje na to, že náklady na články predstavujú relatívne malú časť celkových nákladov na obytné strešné fotovoltické zariadenie, takže zvýšené náklady na články majú len relatívne malý vplyv na celkovú ekonomiku v porovnaní s prínosmi zvýšenej produkcie.
Smerom k gigafactory
Výrobná linka 100 MW a trh s obytnými strechami sa považujú len za začiatok. Vízia OxfordU PV je úplne elektrický svet s perovskites ako bežnou solárnou technológiou. Dúfame, že posledné kolo financovania spoločnosti jej poskytne "prostriedky na plánovanie ďalšieho kroku, ktorým je gigafactory", hovorí Averdung.
Dúfa, že do konca roka 2024 alebo do konca roka 2024 bude v prevádzke 2 gigawatty (GW) výrobnej kapacity a potom pridá približne 2 GW ročne a do konca desaťročia dosiahne viac ako 10 GW.
Spočiatku je cieľovým trhom, ako už bolo uvedené, prémiová strecha obytných budov, ale "to sa zmení, keď sa dostaneme do výroby v GW meradle, potom budeme schopní riešiť okrem toho aj malý-komerčný strešný sektor", hovorí Averdung a "akonáhle sa presunieme na 5GW a ďalej, úžitková váha je na dosah".
Na úžitkovej úrovni "je to všetko o LCOE", podotýka, "za predpokladu, že náklady na vašu pôdu sú zvládnuteľné", a pri výrobnej kapacite 5 GW "naše LCOE bude konkurencieschopnejšie ako ktokoľvek iný, ale to bude samozrejme trvať niekoľko rokov".
Nakoniec "máme v úmysle stať sa jedným z hlavných hráčov vo fotovoltike", hovorí Averdung. A zvládnutie toho, čo Chris Case nazýva "mágiou" perovskitov, by sa mohlo ukázať ako kľúč k dosiahnutiu tejto ambície.