Источник: nsenergybusiness.com
Oxford PV станет первой компанией, которая будет продавать солнечные элементы на основе перовскита-кремния на рынке жилых крыш в следующем году.
Oxford PV использует концепцию «тандема», в которой тонкая пленка перовскита применяется к обычной кремниевой первичной ячейке (Фото: Oxford PV)
Oxford PV, которая описывает себя как «перовскитную компанию», планирует стать ключевым игроком в том, что она видит как полностью электрическое будущее на солнечных батареях. Джеймс Варли, автор журнала Modern Power Systems, рассматривает, как компания стремится достичь этой цели.
В следующем году, если все пойдет по плану, Oxford PV станет первой компанией, которая будет продавать солнечные элементы на основе перовскита-кремния на рынке жилых крыш. Они будут иметь потенциально меняющую правила игры эффективность, примерно на 20% выше, чем текущая существующая технология, только кремниевые элементы.
Oxford PV использует концепцию «тандема», в которой тонкая пленка перовскита наносится на обычную кремниевую первичную (или нижнюю) ячейку (толщина перовскита составляет около 1/200 от толщины кремния).
Этот тандемный подход улучшает способность захватывать определенные части солнечного спектра, особенно на высокоэнергетичном синем конце, что означает, что тандемный элемент перовскит-кремний имеет теоретический предел эффективности 43% против 29% для кремниевых элементов.
На практике средний КПД бытовых кремниевых фотоэлектрических фотоэлектрических систем, установленных на сегодняшний день, находится в диапазоне 15-20%, в то время как максимум «реального мира» для кремния оценивается примерно в 26%.
Ожидается, что ранние коммерчески производимые тандемные ячейки Oxford PV первоначально достигнут эффективности около 27%, но компания ожидает устойчивых улучшений по мере развития технологии в ближайшие годы. «У нас есть четкая дорожная карта, чтобы вывести эту технологию за пределы 30%», - говорит генеральный директор Фрэнк Авердунг.
Доктор Крис Кейс, технический директор Oxford PV, отмечает, что с 2014 года, когда компания решила сосредоточиться исключительно на тандеме перовскит-Si, она повысила эффективность своего солнечного элемента в среднем примерно на один процентный пункт в год и имеет путь и теоретические основы для дальнейшего развития этой технологии вплоть до 30-х годов.
Исследовательская ячейка, использующая технологию Oxford PV, уже достигла 29,52% (как сертифицировано Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии США), мирового рекорда для тандемных ячеек перовскита-Si, а также лучше, чем любая исследовательская ячейка с одним переходом (для которой текущий рекорд, 29,2%, принадлежит ячейке, использующей GaAs).
Перовскит был впервые обнаружен в его естественной минеральной форме (CaTiO3) в 1839 году (по совпадению в том же году, когда впервые наблюдался фотоэлектрический эффект, указывает Крис Кейс). Но только в последние десять лет или около того огромный потенциал синтетических перовскитов в качестве материала для солнечных элементов был полностью признан.
Профессор Генри Снайт, который стал соучредителем Oxford PV в 2010 году для коммерциализации солнечной технологии, переданной из его лаборатории в Оксфордском университете (и является главным научным сотрудником компании), сыграл ключевую роль в этом, в частности, через статью, опубликованную в Science в 2012 году, описывающую жизнеспособную технологию твердотельных солнечных элементов с использованием перовскита металлогалогенида.
Прогресс за последние 10 лет был удивительно быстрым, и перовскиты привлекают все больший интерес к солнечному полю.
Как и все материалы, используемые в солнечных элементах, перовскиты, для которых общей химической формулой является ABX3, где A и B - катионы, а X - аньон, являются полупроводниками.
«Перовскиты будут повсеместно распространены в фотонике и электронике в течение следующих 50-100 лет», — считает Крис Кейс. «Это потрясающий материал».
С точки зрения материаловедения, «есть уникальность, вот почему это так хорошо», добавляет он. «Каждый из атомов ориентирован как набор октаэдры, которые укладываются друг на друга и скручиваются. Этот поворот позволяет «аномальный» высокий фототок диффузии, и это в значительной степени уникально для этой структуры, и люди используют это свойство... Это здорово, это невероятно преобразующее».
Кроме того, материалы, используемые для синтетических перовскитов, в изобилии, и количество, используемое на единицу выхода ячейки, очень мало. «Таким образом, с точки зрения ресурсов, технология может быть масштабирована до уровня многих TW», — говорит Кейс.
Помимо демонстрации рекордной эффективности, ячейки и модули, использующие оксфордскую фотоэлектрическую технологию, также «прошли испытания надежности, измеренные извне, от Международной электротехнической комиссии», добавляет он.
Путь к рынку
«Ученые сделали свою работу», — говорит Фрэнк Авердунг. «Они идентифицировали материал. Они сделали структуру. Они работали над тем, чтобы сделать его стабильным и решили проблемы долговечности и срока службы. Вопрос, на который мы должны найти ответ сейчас: как мы его коммерциализуем?»
Проблема заключается в том, что практически каждый стартап сталкивается с чем-то новым, говорит он. «У вас есть устоявшийся рынок. У вас есть устоявшиеся игроки рынка. У вас есть что-то значительно лучшее. Но как заставить людей принять это? Как вы это сделаете?»
Как он отмечает, устоявшиеся игроки являются многомиллиардными компаниями, и они инвестировали миллиарды в производственную инфраструктуру. «Действительно ли они заинтересованы в том, чтобы отказаться от всего этого и сделать что-то новое?» — спрашивает Авердунг.
Хорошей новостью является то, что технология тандема Oxford PV с кремнием в качестве основной ячейки не требует отбросы существующих производственных технологий и «не разрушает отрасль», и это является основным преимуществом.
«Когда мы помещаем тонкопленочную перовскитную ячейку поверх кремниевой «первичной» ячейки, она по-прежнему имеет тот же форм-фактор и по-прежнему выглядит как обычная Si-ячейка, но выходное напряжение выше», — говорит Авердунг. «Вы можете использовать одни и те же инструменты и вставлять их в одни и те же модули. Размер панели такой же. Все то же самое. Но вы получаете значительно больше энергии».
В плане внешнего вида конечный пользователь не заметит каких-либо существенных различий, за исключением того, что он будет «выглядеть немного приятнее», добавляет он.
В 2015 году Oxford PV продемонстрировала, что тандемная ячейка осуществима, но должна «довести ее до требуемого форм-фактора», объясняет он, поэтому потребовалась опытная производственная линия или «подержанный завод».
Именно такая фабрика была найдена в Бранденбурге-на-Шареле, Германия, и приобретена в 2016 году. «В то время он был слишком большим для нас, но идеально подходил для нашей пилотной линии тонкопленочных фильмов», которая была запущена в 2017 году», — говорит Авердунг.
«Роль пилотной линии заключалась и остается, по сути, оптимизацией продукта, взятием всех результатов из Оксфордской лаборатории и их масштабированием по форм-фактору и проведением стандартных отраслевых испытаний, чтобы убедиться, что ячейки достигают требуемой надежности и долгосрочной стабильности, а также отвечают потребностям отрасли».
В течение нескольких лет Oxford PV работала с совместным партнером по разработке, очень крупной компанией в бизнесе фотовольтаики, «в основном рассказывая нам, чего хочет отрасль», говорит Авердунг.
Но в 2018 году он добавил, что «все изменилось», и компания решила, что «лучшим и самым быстрым путем к коммерциализации технологии будет сделать это самостоятельно, что позволит нам держать все параметры технологии под нашим контролем, чтобы мы могли быть уверены, что продукт, когда дело доходит до рынка, идеально соответствует требованиям клиентов».
Это потребовало от фирмы найти инвесторов, которые вложили бы в нее деньги, что позволило бы ей создать производственную операцию. «Нам повезло», — говорит Авердунг, так как был найден ряд поддерживающих инвесторов. Основными акционерами компании теперь являются Equinor, Legal & General Capital, Goldwind и Meyer-Burger.
Деньги, вложенные в компанию инвесторами, позволили модернизировать ранее приобретенный завод в Бранденбурге и, в дополнение к уже существуют пилотной линии, создать полную линию по производству тандемных ячеек в другой части объекта.
Это будет первая в мире линия по производству тандемных солнечных элементов перовскит-кремний и, как ожидается, достигнет первоначальной целевой мощности в 100 мегаватт (МВт) во 2 квартале следующего года.
Ячейки продаются производителям модулей (договоренности уже существуют), и первоначальным целевым рынком является «премиальный» сектор крыш домов. В этом сегменте рынка пространство является критическим ограничением, а повышенная плотность мощности, обеспечиваемая тандемной ячейкой Oxford PV, особенно привлекательна.
С гораздо большим количеством электроэнергии, вырабатываемой в течение срока службы установки, существует готовность платить значительные премии за высокоэффективные модули, считает Oxford PV.
Авердунг отмечает, что затраты на ячейки составляют относительно небольшую долю от общих затрат на жилую фотоэлектрическую установку на крыше, поэтому увеличение затрат на ячейки оказывает лишь относительно небольшое влияние на общую экономику по сравнению с преимуществами увеличения производительности.
К гигафабрии
Производственная линия мощностью 100 МВт и рынок жилых крыш рассматриваются как только начало. Видение Oxford PV - это полностью электрический мир с перовскитами в качестве основной солнечной технологии. Есть надежда, что последний раунд финансирования компании даст ей «средства для планирования следующего шага, который является гигафабрикой», говорит Авердунг.
Он надеется иметь 2 гигаватта (ГВт) производственных мощностей в эксплуатации к концу 2024 года или около того, а затем добавить около 2 ГВт в год, достигнув более 10 ГВт к концу десятилетия.
Первоначально целевым рынком является, как уже отмечалось, премиальный жилой крыша, но «это изменится, как только мы перейдем к производству в масштабе ГВт, тогда мы сможем обратиться, кроме того, к мелкому коммерческому сектору крыш», — говорит Авердунг, и «как только мы перейдем на 5 ГВт и дальше, коммунальный масштаб находится в пределах досягаемости».
В масштабе коммунальных услуг «все дело в LCOE», отмечает он, «предполагая, что стоимость вашей земли является управляемой», а при производственных мощностях в 5 ГВт «наш LCOE будет более конкурентоспособным, чем у кого-либо еще, но это, конечно, займет несколько лет».
В конце концов, «мы намерены стать одним из основных игроков в фотовольтаике», говорит Авердунг. И освоение того, что Крис Кейс называет «магией» перовскитов, может оказаться ключом к достижению этой цели.
