Den kinesiska solmaskinen

För tio år sedan tillverkades solpaneler mestadels i USA, Tyskland och Japan. Kinesiska tillverkare gjorde nästan ingen. Men 2006 hade det kinesiska företaget Suntech Power kapacitet att tillverka över en miljon kiselbaserade solpaneler om året och var redan världens tredje största producent. Idag tillverkar kinesiska tillverkare cirka 50 miljoner solpaneler per år – över hälften av världens utbud 2010 – och inkluderar fyra av världens fem främsta solpanelstillverkare. Det som gör detta särskilt imponerande är att industrin på andra håll har fördubblats i storlek vartannat år, och kinesiska tillverkare har gjort det ännu bättre och fördubblat sin produktion ungefär varje år.

Denna dominans beror inte på billig arbetskraft i kinesiska fabriker: att tillverka solceller kräver så dyr utrustning och material att arbetskraft bara bidrar med en liten bråkdel av den totala kostnaden. Det beror inte heller på att de kinesiska företagen har introducerat celler som håller längre eller producerar mer kraft: i stort sett tillverkar de samma typ av kiselbaserade solpaneler som många av sina konkurrenter runt om i världen, med samma utrustning. De har lyckats till stor del eftersom det är snabbare och billigare för dem att bygga fabriker, tack vare billiga, effektiva byggteam och Kinas strömlinjeformade tillståndsprocess. De nya fabrikerna har den senaste och mest effektiva utrustningen, vilket hjälper till att sänka kostnaderna. Det gör även effektivitetsvinsterna som följer med storleken. Som ett resultat har kinesiska tillverkare kunnat undergräva andra tillverkare av kiselsolpaneler och krossa förhoppningarna hos många uppkomlingar som hoppas kunna introducera ny teknologi.

Den här historien var en del av vårt januarinummer 2012

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Men solenergimarknaden utvecklas snabbt, och tekniska innovationer blir allt viktigare. Även om efterfrågan på solenergi fortsätter att växa runt om i världen är marknaden översvämmad av solcellspaneler: den globala produktionskapaciteten mer än fördubblades från 2009 till 2010 och fortsatte att öka under 2011. Överkapaciteten var så stor att kinesiska tillverkare hade problem förra hösten sälja solpaneler för mer än det kostade att tillverka dem. På en sådan marknad är sättet att differentiera din produkt – och ladda tillräckligt för att hålla sig flytande – att göra den bättre än dina konkurrenters.

För solcellstillverkare idag innebär det att de uppfinner celler som är mer effektiva när det gäller att omvandla ljus till elektricitet. Eftersom priset på solpaneler har sjunkit har installationskostnaderna kommit att stå för en större andel av kostnaden för solenergi. Kunderna vill ha paneler som är mer kraftfulla, så att de kan installera färre av dem. Från och med nu kan det bästa sättet för kinesiska tillverkare att sänka kostnaden per watt solenergi inte vara genom att sänka tillverkningskostnaderna utan istället genom att öka antalet watt som varje panel genererar. Spelet förändras nu, säger Mark Pinto, executive vice president för energi- och miljölösningar på Applied Materials i Santa Clara, Kalifornien, världens största leverantör av utrustning för solenergi. Förut handlade allt om skala. Nu handlar det om konverteringseffektivitet samtidigt som kostnaden hålls nere.

Detta kan låta som dåliga nyheter för kinesiska tillverkare som har fokuserat på att skala upp standardteknik. Men deras erfarenhet av att bygga konventionella solpaneler kan hjälpa dem att implementera nya konstruktioner som avsevärt ökar prestandan hos kiselsolceller. Under åren har dessa tillverkare sänkt kostnaderna delvis genom att utveckla bättre sätt att tillverka cellerna. Det har gett dem en förståelse för vad som fungerar och vad som inte fungerar på fabriksgolvet. De har också kapitalet och ingenjörerna för att hjälpa dem att översätta nyare teknologier till massproduktion. De kanske inte hade tänkt att kommersialisera dessa tekniker från början, men nu, efter att ha bemästrat marknaden för konventionella solpaneler, är de redo att göra just det.

HÅLLA FRAM

2010, när USA:s energisekreterare Steven Chu höll ett tal till National Press Club där han berättade om att USA hamnade på efterkälken i avancerad tillverkning, var Suntech Power hans utställning A. Han hade turnerat i dess fabrik och han var imponerad av vad han hade sett. Det är en högteknologisk, automatiserad fabrik, sa han. Det lyckas inte på grund av billig arbetskraft. Inte bara det, noterade han, utan Suntech hade utvecklat en typ av solcell med världsrekord effektivitet.

Långt före

Förstora diagrammet.

Chus bedömning kan ha förvånat vissa observatörer, men Suntechs rekordsättande solceller är imponerande. Tekniken som går in i dem drar fördel av förändringar i både design och tillverkningsteknik. De ledande metalllinjerna som samlar elektrisk laddning från kislet skapas inte med screentryckmetoder, som är standard. Istället använder Suntech en egen process för att deponera mycket tunnare, tätare linjer som är mer effektiva för att utvinna elektricitet från cellerna. Förändringarna har gjort det möjligt för företaget att nå effektivitetsnivåer och kostnadsminskningar som en branschvägkarta som släpptes 2011 hade satt upp som mål för 2020. När man sätter ihop alla dessa saker gör vi inte bara bättre än vad folk gör nu, säger Stuart Wenham, teknisk chef på Suntech. Vi gör också bättre ifrån sig än vad de tror att de skulle kunna göra om 10 år.

Hittills har Suntech tillverkat relativt få solpaneler baserade på den nya tekniken. Istället har man fokuserat sina resurser på att justera tillverkningsprocesser för att minska kostnaderna för att tillverka konventionella kiselsolpaneler. Men det kan snart ändras. I år har Suntech börjat öka produktionen av de nya cellerna, och nu kan man göra tillräckligt med dem årligen för att generera 500 megawatt kraft – ungefär 2,5 miljoner solpaneler. Den framgången beror mycket på företagets framgång som producent av de konventionella produkterna.

Tekniken bakom de nya cellerna utvecklades på 1990-talet vid University of New South Wales, Australien, men teknikerna som användes i labbet var för dyra för kommersiell produktion. Det var en fruktansvärt sofistikerad process inklusive fotolitografi, vakuumavsättning av ganska exotiska metaller och alla möjliga kemiska processer, säger Wenham, som också är chef för solcellsforskningsprogrammet vid UNSW och tidigare var professor i Suntechs VD och grundare, Zhengrong Shi. . Enligt Wenham förblev tekniken en lab kuriosa i årtionden tills Suntechs forskare kom på hur man anpassade den till ett löpande band. De kom på ett enkelt, billigt sätt att ersätta allt detta samtidigt som de uppnådde samma resultat, säger han. Den nya tekniken kan öka uteffekten för en solpanel i standardstorlek från 205 watt till 220 watt eller mer - och cellerna kostar mindre att producera än konventionella.

Enstaka delar av tekniken var snabbt framgångsrika. Suntech introducerade dessa i sina standardtillverkningslinjer, med ett öga på att ligga precis före sina konkurrenter vad gäller kostnad och effektivitet. Att skala upp hela processen var dock en utmaning. En pilottillverkningslinje var igång 2009, men företaget var tvungen att utveckla och implementera ny utrustning för att få skördar och produktionshastigheter till den grad att processen var ekonomisk. Här visade sig Suntechs position som marknadsledare med erfarenhet av att utveckla ny tillverkningsutrustning vara avgörande. Inte bara hade företaget den expertis som behövdes för att förbättra processen; det hade också medel för att fortsätta arbeta med tekniken i flera år utan att det gav betydande intäkter.

Suntech är inte den enda kinesiska solcellstillverkaren som identifierar lovande ny teknik och hittar sätt att producera den i stor skala. I september förra året meddelade Yingli Green Energy, baserat i Baoding, att ett partnerskap med ett holländskt forskningscenter, ECN, hade gett solpaneler som kunde omvandla 17,6 procent av energin i solljus till elektricitet; snittet ligger på drygt 14 procent. ECN gjorde tekniken tillgänglig för alla i världen som ville ha den, säger Wenham. Ändå är det bara Yingli som har tagit den tekniken och utarbetat hur man gör den i storskalig produktion, till låg kostnad.

MATERIALFÖRDEL

Redan nu när kinesiska solcellstillverkare flyttar fokus från produktion till innovation kan det finnas gränser för vad de kan göra med sitt valda material, kristallint kisel. Detta material är attraktivt eftersom industrin vet hur man arbetar med det, delvis tack vare årtionden av forskning inom kiselmikrochips. Men jämfört med vissa andra halvledare är den usel på att absorbera solljus. Vissa alternativ, som galliumarsenid, kan göras till filmer av material som kan generera lika mycket elektricitet som en typisk kiselcell men är bara en hundradel så tjock, vilket potentiellt minskar materialkostnaderna. Sådana tunna filmer kan också vara flexibla: de kan rullas ihop, vilket minskar förpacknings- och fraktkostnader, och de kan byggas in i takshingel för att minska installationskostnaderna.

Trots deras potentiella fördelar har det varit svårt för tunnfilmssolceller att konkurrera med de ständigt sjunkande kostnaderna och förbättrad effektivitet hos kristallina kiselceller. Ett företag, Arizona-baserade First Solar, har lyckats utveckla billiga tillverkningstekniker för tunnfilmssolpaneler, men dessa metoder använder ett material – kadmiumtellurid – som ger paneler mindre effektiva än kiselpaneler. Andra företag har försökt konkurrera med kisel genom att använda högeffektiva tunnfilmspaneler av kopparindiumgalliumselenid. Några av dem har dock varit tvungna att försätta sig i konkurs och stänga sina fabriker efter att ha misslyckats med att sänka tillverkningskostnaderna tillräckligt snabbt.

Trots dessa strider tror Wenham att tunnfilmsteknik så småningom kommer att utmana konventionella solpaneler. Om det är sant kanske kinesiska tillverkare av kristallina kiselsolceller inte dominerar marknaden för alltid. Men strategin att först skala upp konventionell teknik och sedan introducera innovativ design för att fortsätta sänka kostnaden per watt solenergi har gjort att de har ett bra läge att behålla sitt försprång i flera år. Under tiden arbetar vissa, som Suntech, för att producera egna tunnfilmspaneler. När tunna filmer ersätter kristallint kisel kan det vara kinesiska tillverkare som tillverkar dem.

Kevin Bullis är Teknikgranskning Seniorredaktör för energi.

Dölj