211service.com
Alta-enheter: Hitta en solenergilösning
Alta Devices vill komma in på en mycket konkurrensutsatt solenergimarknad och hoppas kunna använda en kombination av tekniska framsteg och tillverkningskunniga för att lyckas där många andra har kraschat och brunnit. 21 februari 2012
Alta Devices är en liten men välfinansierad startup som ligger i samma obeskrivliga kontorsbyggnad i Silicon Valley som en gång fungerade som huvudkontor för Solyndra, det ökända solcellsföretaget som gick i konkurs förra året efter att ha bränt igenom hundratals miljoner dollar i offentliga investeringar och riskinvesteringar. . Huruvida platsen har dålig karma är fortfarande inte klart, skämtar Altas vd, Christopher Norris. Men Norris, en före detta chef för halvledarindustrin och riskkapitalist, vet att hans företags öde kommer att bero på dess förmåga att navigera i den riskabla och dyra processen att skala upp sin nya teknologi, som han tror skulle kunna producera kraft till ett konkurrenskraftigt pris med fossilbränsleanläggningar och mycket billigare än dagens solcellsmoduler.
På ett bord i Altas konferensrum lägger Norris ut prover på företagets solceller, flexibla svarta fläckar inkapslade i klar plast. De ser omärkliga ut, men det beror på att nyckelingrediensen är nästan osynlig: mikroskopiskt tunna ark av galliumarsenid. Halvledaren är så bra på att absorbera solljus och förvandla det till elektricitet att en av Altas enheter, som innehåller ett aktivt lager av galliumarsenid som bara är ett par mikrometer tjockt, nyligen satte rekord för solcellseffektivitet. Men galliumarsenid är också extremt dyrt att använda i solceller, och tunna filmer av det tenderar att vara ömtåliga och svåra att tillverka. Faktum är att Altas innovationer inte ligger i att välja materialet – halvledaren har använts i solceller på satelliter och rymdfarkoster i decennier – utan i att ta reda på hur man förvandlar den till solmoduler som är tillräckligt billiga för att vara praktiska för de flesta applikationer.
Den här historien var en del av vårt marsnummer 2012
- Se resten av frågan
- Prenumerera
Företaget, som grundades 2007, är baserat på två av världens ledande akademiska forskare inom fotoniska material. En av dem, Eli Yablonovitch, nu professor i elektroteknik vid University of California, Berkeley, utvecklade och patenterade en teknik för att skapa ultratunna filmer av galliumarsenid på 1980-talet, när han arbetade på Bell Communications Research. Den andra, Harry Atwater, professor i tillämpad fysik och materialvetenskap vid Caltech, är en pionjär inom användningen av mikrostrukturer och nanostrukturer för att förbättra materialens förmåga att fånga ljus och omvandla det till elektricitet. Andy Rappaport, en riskkapitalist på August Capital, slog sig ihop med de två forskarna för att grunda Alta, rekryterade Silicon Valley-veteranen Bill Joy som investerare och byggde tillsammans med de andra medgrundarna ett ledningsteam som inkluderade Norris. Målet: att göra högeffektiva solceller, och att göra dem billigare än de som bygger på befintlig kiselteknologi.
Det är vid denna tidpunkt som många solcellsstartuper har gått fel och skyndat sig att skala upp en innovativ teknik innan de förstår dess ekonomiska och tekniska utmaningar. Istället tillbringade Alta sina första år i smygläge och försökte i tysthet ta reda på, som Norris uttrycker det, om dess process för att tillverka solceller av galliumarsenid var mer än ett vetenskapsexperiment och kunde fungera som en hållbar grund för tillverkning.
Flexibel kraft: Altas solceller kan göras till böjbara plåtar. I detta prov är en serie solceller inkapslade i ett takmaterial.
Rester av det vetenskapliga experimentet är fortfarande synliga i det blygsamma labbet på baksidan av Altas kontor. Små keramiska krukor sitter på elektriska värmeplattor – reliker från företagets tidiga ansträngningar för att optimera Yablonovitchs teknik för epitaxiell lyftning, som använder syror för att exakt separera tunna filmer av galliumarsenid från de rån som de odlas på. På andra ställen i labbet blir utrustningen successivt större och mer sofistikerad, vilket återspeglar uppskalningen av processen. Nära ett visningsfönster som gör att potentiella investerare kan titta in i labbet utan att ta på sig renrumsbeklädnader är en av juvelerna i företagets utvecklingsinsatser: en lång utrustning där partier av prover bearbetas för att skapa tunnfilmssolcellerna . Det är ett övertygande bevis på att det tidiga arbetet med kastruller och kokplattor kan omvandlas till en automatiserad process som kan uppnå den avkastning som krävs för verklig tillverkning.
SOLLYFTNING
När Bill Joy, en medgrundare av Sun Microsystems och nu en ledande riskkapitalist i Silicon Valley, först såg affärsplanen för det som blev Alta Devices, letade han och hans kollegor på Kleiner Perkins Caufield & Byers redan efter högeffektiv tunnfilmssolel. teknologi. Joy håller en löpande lista – för närvarande cirka 12 till 15 objekt lång – över önskvärda teknologier som han tror att han har en rimlig chans att hitta. Solceller som är mycket effektiva för att omvandla solljus och som kan tillverkas billigt i flexibla ark kan ge sätt att dramatiskt sänka de totala kostnaderna för solenergi. Galliumarsenidteknologi var ett naturligt val för effektivitet, men Altas ekonomi var det som verkligen intresserade investerarna. Deras kärnkompetens var hur man gör det tillverkningsbart, säger Joy, som började på Rappaport som investerare inom några månader.
Galliumarsenid är ett nästan idealiskt solmaterial, av ett antal skäl. Det absorberar inte bara mycket mer solljus än kisel – tunna filmer av det fångar lika många fotoner som kisel 100 gånger tjockare – utan det är mindre känsligt för värme än kiselsolceller, vars prestanda dramatiskt sjunker över 25 °C. Och galliumarsenid är bättre än kisel när det gäller att behålla sin elektricitetsproducerande förmåga under förhållanden med relativt svagt ljus, som tidigt på morgonen eller sent på eftermiddagen.
Nyckeln till att minska sina tillverkningskostnader är den teknik som Yablonovitch hjälpte till att ta reda på för decennier sedan. Halvledaren kan odlas epitaxiellt: när tunna lager avsätts kemiskt på ett substrat av enkristall galliumarsenid, antar var och en samma enkristallstruktur. Yablonovitch fann att om ett lager av aluminiumarsenid är inklämt mellan lagren, kan detta selektivt ätas bort med en syra, och galliumarseniden ovan kan skalas av. Det var ett elegant och enkelt sätt att skapa tunna filmer av materialet. Men processen var också problematisk: enkristallfilmerna spricker lätt och blir värdelösa. Genom att anpassa Yablonovitchs tillverkningsmetod har Alta-forskare hittat sätt att skapa robusta filmer som inte är benägna att spricka. Och inte bara använder de tunna filmerna lite av halvledarmaterialet, utan det värdefulla galliumarsenidsubstratet kan återanvändas flera gånger, vilket hjälper till att göra processen överkomlig.
Forskning av Altas grundande forskare har också lett till tekniker för att öka solcellernas prestanda. Solceller fungerar eftersom fotonerna de absorberar ökar energinivåerna för elektroner i halvledaren, vilket frigör dem för att flyta till metallkontakter och skapa en ström. Men de strövande elektronerna kan slösas bort på olika sätt, till exempel i värme. I galliumarsenid rekombinerar emellertid de frigjorda elektronerna ofta med positivt laddade hål för att återskapa fotoner och starta processen om igen. Arbete utfört av Yablonovitch och Atwater för att förklara denna process har hjälpt Alta att designa celler att dra fördel av denna fotonåtervinning, vilket ger många chanser att återfånga fotoner och förvandla dem till elektricitet.
Således Altas effektivitetsrekord: dess celler har omvandlat 28,3 procent av solljuset till elektricitet, medan den högsta verkningsgraden för en solcell av kisel är 25 procent, och vanligt använda tunnfilmssolmaterial överstiger inte 20 procent. Yablonovitch antyder att Alta har en god chans att så småningom bryta 30 procents effektivitet och närma sig den teoretiska gränsen på 33,4 procent för celler av denna typ.
Den höga effektiviteten, i kombination med galliumarsenids förmåga att prestera vid relativt höga temperaturer och i svagt ljus, gör att cellerna kan producera två eller tre gånger mer energi under ett år än konventionella kisel, säger Norris. Och det leder förstås direkt till lägre priser på solenergi. Norris säger att en inte orimlig förväntning är att galliumarsenidtekniken kan ge en utjämnad energikostnad (ett vanligt använt industrimått som inkluderar livstidskostnaderna för att bygga och driva ett kraftverk) på sju cent per kilowattimme. Till ett sådant pris, säger Norris, skulle solenergi vara konkurrenskraftig med fossila bränslen, inklusive naturgas; nya gasanläggningar genererar el för cirka 10 cent per kilowattimme. Och det skulle minska dagens solenergi, som Norris säger kostar runt 20 cent per kilowattimme att generera.
Sådana siffror är lockande. Men Norris är snabb med att ta upp en annan: det kostar ungefär 1 miljard dollar att bygga en tillverkningsanläggning som kan producera tillräckligt med solcellsmoduler för att generera en gigawatt effekt, vilket ungefär är resultatet av flera medelstora kraftverk. Jag ser inget scenario där vi skulle göra det här på egen hand, säger han.
SOLYNDRAS SPÖKE
Silicon Valley har varit förälskad i ren teknik sedan mitten av 2000-talet, men det har ännu inte kommit fram till något avgörande: vem kommer att tillhandahålla alla pengar som behövs för att skala upp energiteknik och bygga fabriker för att tillverka dem? Riskinvesterare kan vara skickliga på att välja teknik, men få av dem har de djupa fickorna eller det tålamod som krävs för att konkurrera i en kapitalintensiv verksamhet som tillverkning av solcellsmoduler. Kollapsen av Solyndra, som byggde en fabrik för 733 miljoner dollar i Fremont, Kalifornien, är bara den senaste påminnelsen om vad som kan gå fel.
Altas huvudinvesterare Andy Rappaport säger att han vanligtvis håller sig borta från investeringar i ren teknik, inklusive solceller. Många investerare i solenergi, föreslår han, har satsat på att en startup skulle kunna sänka marginalkostnaderna för tillverkning och därmed ta vissa marknadsandelar. Det är ett recept på misslyckande, säger han, eftersom du måste spendera hundratals miljoner för att bygga en fabrik innan du vet om du har något av värde. Strategin är särskilt riskabel nu, eftersom solceller blir en allt mer konkurrenskraftig råvaruaffär och priserna fortsätter att sjunka, vilket skapar ett rörligt mål för ny produktion. Men snarare än att försöka skapa värde genom att bygga upp tillverkningskapacitet, säger Rappaport, kan Alta dra nytta av sin immateriella egendom: Vi har enkelt och konsekvent sagt att vi kan skala kapacitet snabbare och bygga ett mycket starkare företag genom att utnyttja partnerskap snarare än att höja och spendera våra eget kapital för att bygga fabriker.
Aktuella investerare i Alta inkluderar GE, Sumitomo och Dow Chemical, som nyligen introducerade takbältros som innehåller tunnfilms solceller (se Kan vi bygga morgondagens genombrott? Januari/februari 2012) . Även om dessa företag har investerat i flera finansieringsomgångar – Alta har hittills samlat in 120 miljoner dollar – så skulle Norris så småningom vilja se affärer, såsom licensavtal eller joint ventures, där tillverkare bygger kapacitet för att producera Altas solceller eller använda soltekniken. i sina produkter. För att göra det, säger han, måste Alta först ta bort risken med produktionstekniken, och visa för potentiella partners att solcellsmodulerna galliumarsenid faktiskt kan produceras på ett ekonomiskt konkurrenskraftigt sätt.
Mindre än en mil från sitt huvudkontor håller Alta på att rensa och renovera en byggnad där Netflix brukade lagra DVD-skivor och förvandla den till en pilotanläggning för 40 miljoner dollar för att testa sin utrustning. Även om anläggningen är mycket mindre än en kommersiell solcellsfabrik, är det fortfarande inget litet eller billigt företag. Norris tittar försiktigt på de nya pelare som krävs för att förstärka taket, som kommer att behöva hålla tung ventilations- och utsläppskontrollutrustning. Men Altas VD blir mer livlig när han närmar sig den nästan färdigställda bakre delen av anläggningen. Där, i flera vita rum, finns de stora specialdesignade versionerna av labbapparaten som används för att tillverka solcellerna.
Om Alta lyckas beror främst på hur väl dessa tillverkningsuppfinningar presterar. Kostnaden för pilotanläggningen kan blekna bredvid prislappen för en solcellsfabrik i kommersiell skala, men det är fortfarande en kritisk investering för uppstarten. Och även när Alta flitigt försöker få igång anläggningen i slutet av året, säger Norris, tar man ett medvetet, metodiskt tillvägagångssätt för uppskalningsprocessen. Det står i skarp kontrast till tidigare solenergistartuper som spenderade hundratals miljoner i riskinvesteringar för att bygga fabriker så snabbt som möjligt. Men Altas försiktiga inställning ska inte förväxlas med brist på ambition. Målet, säger Norris, är att göra detta till en grundläggande, transformativ teknik.
David Rotman är Teknikgranskning s redaktör.