Zdroj: nsenergybusiness.com
Oxfordská fotovoltaika se stane první společností, která příští rok prodá solární články na bázi perovskite křemíku na rezidenčním střešním trhu.
Oxfordská fotovoltaika využívá "tandemový" koncept, ve kterém se tenký film perovskite aplikuje na konvenční primární buňku křemíku (Kredit: Oxford PV)
Oxfordská fotovoltaika, která se označuje za "perovskite společnost", plánuje být klíčovým hráčem v tom, co považuje za solární all-electric budoucnost. James Varley, spisovatel časopisu Modern Power Systems, se podívá na to, jak se společnost snaží tohoto cíle dosáhnout.
Příští rok, pokud vše půjde podle plánu, se Oxford PV stane první společností, která prodá solární články na bázi perovskite křemíku na rezidenčním střešním trhu. Budou mít potenciálně měnící efektivitu, asi o 20% vyšší než současná stávající technologie, pouze křemíkové články.
Oxfordská fotovoltaika používá "tandemový" koncept, ve kterém se tenký film perovskite aplikuje na konvenční křemíkovou primární (nebo spodní) buňku (tloušťka perovskite je asi 1/200 tloušťky křemíku).
Tento tandemový přístup zlepšuje schopnost zachytit určité části slunečního spektra, zejména na vysoce energetickém, modrém konci, což znamená, že tandemová buňka perovskite-on-silicon má teoretickou mez účinnosti 43% vs 29% pro články pouze křemíku.
V praxi je průměrná účinnost dosud instalované domácí křemíkové fotovoltaiky v rozmezí 15-20%, zatímco maximum "reálného světa" pro křemík se odhaduje na přibližně 26%.
Očekává se, že rané komerčně vyráběné oxfordské fotovoltaické tandemové články dosáhnou zpočátku účinnosti asi 27%, ale společnost očekává neustálé zlepšování s vývojem technologie v nadcházejících letech. "Máme jasný plán, jak tuto technologii dostat nad 30 %," říká generální ředitel Frank Averdung.
Dr. Chris Case, technický ředitel oxfordské fotovoltaiky, poznamenává, že od roku 2014, kdy se společnost rozhodla zaměřit výhradně na tandem perovskite-Si, zvýšila účinnost svého solárního článku v průměru zhruba o jeden procentní bod ročně a má cestu a teoretické základy pro další rozvoj této technologie až do vysokých 30 let.
Výzkumná buňka využívající oxfordskou fotovoltaickou technologii již dosáhla 29,52% (jak potvrdila americká Národní laboratoř pro obnovitelnou energii), což je světový rekord pro tandemové buňky perovskite-Si a také lepší než jakákoli jednose junction výzkumná buňka (pro kterou je současný rekord, 29,2%, držen buňkou zaměstnávající GaA).
Perovskite byl poprvé objeven ve své přirozeně se vyskytující minerální formě (CaTiO3) v roce 1839 (shodou okolností ve stejném roce, kdy byl poprvé pozorován fotovoltaický účinek, upozorňuje Chris Case). Ale teprve v posledních deseti letech byl plně uznán obrovský potenciál syntetických perovskitů jako materiálu pro solární články.
Prof. Henry Snaith, který v roce 2010 spoluzaložil Oxfordskou fotovoltaiku za komercializaci solárních technologií převedených z jeho laboratoře na Oxfordské univerzitě (a je hlavním vědeckým pracovníkem společnosti), v tom sehrál klíčovou roli, zejména prostřednictvím studie publikované v časopise Science v roce 2012, která popisuje životaschopnou technologii pevných solárních článků využívající halogenidový perovskite.
Pokrok za posledních 10 let byl pozoruhodně rychlý a perovskites přitahují rostoucí zájem o solární pole.
Stejně jako všechny materiály používané v aplikacích solárních článků jsou perovskites – pro které je obecný chemický vzorec ABX3, kde A a B jsou kations a X anionty – polovodiče.
"Perovskites budou všudypřítomné ve fotonice a elektronice dalších 50-100 let," věří Chris Case. "Je to tak ohromující materiál."
Z hlediska materiálové vědy "existuje jedinečnost, proto je tak dobrá," dodává. "Každý z atomů je orientován jako sada oktáv, které jsou naskládány na sebe a zkrouceny. Tento zvrat umožňuje "anomální" vysokou rozptyl fotokurentů, a to je pro tuto strukturu do značné míry jedinečné, a lidé využívají tuto vlastnost... Je to skvělé, neuvěřitelně transformativní."
Také materiály používané pro syntetické perovskity jsou hojné a množství použité na jednotku buněčného výstupu je velmi malé. "Takže z hlediska zdrojů je možné technologii škálovat na mnoho úrovní TW," říká Case.
A kromě prokázání rekordní efektivity buňky a moduly využívající technologii oxfordské fotovoltaiky také "prošly externě měřenými standardními testy spolehlivosti od Mezinárodní elektrotechnické komise", dodává.
Cesta na trh
"Vědci odvedli svou práci," říká Frank Averdung. "Identifikovali materiál. Udělali strukturu. Pracovali na tom, aby byla stabilní, a zabývali se obavami o trvanlivost a životnost. Otázka, na kterou musíme přijít, zní: jak ji komercializujeme?"
Říká, že výzvou je výzva, které čelí téměř každý start-up s něčím novým. "Máte zavedený trh. Založili jste hráče na trhu. Máš něco podstatně lepšího. Ale jak přišimte lidi, aby to přijali? Jak to zařídit?"
Jak podotýká, zavedenými hráči jsou multimiliardové společnosti, které investovaly miliardy do výrobní infrastruktury. "Opravdu mají zájem to všechno zrušit a udělat něco nového?" ptá se Averdung.
Dobrou zprávou je, že oxfordská fotovoltaiková tandemová technologie se křemíkem jako primární buňkou nevyžaduje odhození stávající výrobní technologie a "nenarušuje průmysl", což je hlavní přínos.
"Když dáme tenkou vrstvu perovskite na křemíkový 'primární' článek, má stále stejný tvarový faktor a stále vypadá jako běžný Si článek, ale výstupní napětí je vyšší," říká Averdung. "Můžete použít stejné nástroje a vložit je do stejných modulů. Velikost panelu je stejná. Všechno je stejné. Ale dostanete výrazně více energie."
Pokud jde o vzhled, koncový uživatel si nevšimne žádného většího rozdílu, až na to, že bude "vypadat trochu hezčí", dodává.
V roce 2015 oxfordská fotovoltaika prokázala, že tandemová buňka je proveditelná, ale potřebuje ji "přivést do požadovaného tvarového faktoru", vysvětluje, takže vyžadovala pilotní výrobní linku nebo "použitou továrnu".
Právě taková továrna byla nalezena v Braniborsku an der Havel v Německu a získána v roce 2016. "Tehdy to pro nás bylo příliš velké, ale perfektně se hodilo pro naši tenkově filmovou pilotní řadu", která byla v provozu v roce 2017," říká Averdung.
"Úlohou pilotní linky bylo a stále je v podstatě optimalizace produktů, odebírání všech výsledků z oxfordské laboratoře a jejich rozšiřování z hlediska tvarových faktorů a provádění standardních testů, aby se ověřilo, že buňky dosahují požadované spolehlivosti a dlouhodobé stability a splňují potřeby průmyslu."
Oxfordská fotovoltaika několik let spolupracovala se společným vývojovým partnerem, velmi velkou společností v oblasti fotovoltaiky, "v podstatě nám říkala, co by průmysl chtěl", říká Averdung.
V roce 2018 však dodává, že "vše, co se změnilo", a společnost se rozhodla, že "nejlepší a nejrychlejší cestou ke komercializaci technologie bude udělat to sami, což nám umožní udržet všechny parametry technologie pod naší kontrolou, abychom si mohli být jisti, že produkt, pokud jde o trh, je dokonale v souladu s požadavky zákazníků".
To vyžadovalo, aby firma našla investory, kteří by do něj vložili peníze, což by jí umožnilo založí výrobní operaci. "Měli jsme štěstí," říká Averdung, když byla nalezena řada podporujících investorů. Mezi hlavní akcionáře společnosti nyní patří Equinor, Legal &General Capital, Goldwind a Meyer-Burger.
Peníze, které investoři vložili do společnosti, umožnily modernizaci dříve získané brandenburské továrny a kromě již tamní pilotní linky zřídily v jiné části závodu kompletní výrobní linku s tandemovými buňky.
Bude to první objemová výrobní linka pro tandemové solární články perovskite na křemíku na světě a očekává se, že příští rok dosáhne počáteční cílové kapacity 100 megawattů (MW).
Články se prodávají výrobcům modulů (ujednání jsou již zavedena) a počátečním cílovým trhem je "prémiový" sektor obytných střech. V tomto segmentu trhu je prostor kritickým omezením a zvýšená hustota výkonu poskytovaná oxfordským fotovoltaického tandemovým telefonem je obzvláště atraktivní.
Oxford PV se domnívá, že s mnohem více elektřinou vyrobenou během životnosti zařízení existuje ochota platit značné pojistné za vysoce účinné moduly.
Averdung poukazuje na to, že náklady na články představují relativně malou část celkových nákladů na střešní fotovoltaickou instalaci, takže zvýšené náklady na články mají pouze relativně malý vliv na celkovou ekonomiku ve srovnání s přínosy zvýšené produkce.
Směrem k gigafaktorii
Výrobní linka o výkonu 100 MW a trh obytných střech jsou považovány za pouhý začátek. Vize oxfordské fotovoltaiky je všeitetrického světa s perovskity jako běžnou solární technologií. Doufáme, že poslední kolo financování společnosti jí poskytne "prostředky k plánování dalšího kroku, který je gigafactory", říká Averdung.
Doufá, že do konce roku 2024 nebo tak dále bude v provozu 2 gigawatty (GW) výrobní kapacity a do konce desetiletí pak přidá asi 2 GW ročně a dosáhne více než 10 GW.
Zpočátku je cílovým trhem, jak již bylo uvedeno, prémiová střecha obytných budov, ale "to se změní, jakmile se dostaneme do výroby v gw měřítku, pak budeme schopni řešit kromě toho sektor malých komerčních střech", říká Averdung, a "jakmile se přesuneme na 5GW a dále, užitková škála je na dosah".
V užitkovém měřítku "je to všechno o LCOE", podotýká, "za předpokladu, že náklady na vaši půdu jsou zvládnutelné", a při výrobní kapacitě 5 GW "naše LCOE bude konkurenceschopnější než kdokoli jiný, ale to bude samozřejmě trvat několik let".
Nakonec "se chceme stát jedním z hlavních hráčů ve fotovoltaice", říká Averdung. A zvládnutí toho, co Chris Case nazývá "magií" perovskitů, by se mohlo ukázat jako klíč k dosažení této ambice.