Dessa flexibla solceller för oss närmare att komma bort från fossilbränslevanan

Fotoillustration av en perovskite Foto med tillstånd av Oxford PV

• Perovskite solceller kan vara billigare, lättare, mer energieffektiva och lättare att producera än traditionellt kisel
• De kan placeras på fönster, oregelbundet formade ytor eller till och med fordon i rörelse och öppna upp för ett helt nytt användningsområde för solenergi, som avsaltning
• Den största utmaningen: att göra dem tillräckligt hållbara

I december förra året lyste forskare i ett labb i Oxford, England, en sollampa på en liten solcell, bara cirka en centimeter i kvadrat.

Enheten var faktiskt två celler, staplade på varandra. Den nedersta var gjord av den typ av kisel som används i vanliga solpaneler. Men toppen var perovskite, ett material med en kristallstruktur som är särskilt skicklig på att förvandla ljus till elektricitet.

Ett par sonder fästa vid den så kallade tandemsolcellen mätte dess prestanda. Andra forskare i labbet vid Oxford PV, ett företag som startade från universitetet 2010, samlades bakom en plattskärm och väntade förväntansfullt på att en beräkning av cellens effektivitet skulle dyka upp. När det gjorde det bytte de high fives. Cellen hade omvandlat 28 % av energin i ljuset till elektricitet, ett nytt effektivitetsrekord för en perovskit-på-kisel-enhet. Ett oberoende test bekräftade det några dagar senare, efter att den lilla cellen placerades på ett plan till National Renewable Energy Laboratory (NREL) i Golden, Colorado.

Oxford PV:s solcell i kommersiell storlek (vänster) och versionen på en centimeter kvadrat (höger).

Även om kiselpaneler kan dominera marknaden – med cirka 95 % marknadsandel – är kisel inte ett särskilt bra solmaterial. Den använder främst ljus från den röda och infraröda änden av solspektrumet, och den måste vara ganska tjock och skrymmande för att absorbera och omvandla fotoner. De mest effektiva kiselsolpanelerna på marknaden uppnår mindre än 23 % verkningsgrad, medan det teoretiska maxvärdet för ett enstaka lager kisel är cirka 29 %.

Perovskite, å andra sidan, kan använda mer av ljuset som når det och kan ställas in för att fungera med olika delar av spektrumet. Oxford PV har valt den blå änden. Parat i en cell kan de två materialen omvandla fler fotoner till elektroner tillsammans än vad båda kan leverera på egen hand.

Oxford PV planerar att leverera solceller baserade på perovskit och kisel till marknaden i slutet av nästa år, med hjälp av en tysk fabrik som det förvärvade 2016 från Bosch Solar. De två materialen kommer i ett paket som annars ser ut, skickas och installeras på samma sätt som en vanlig solpanel, i ett slags halvsteg som företaget tror kommer att göra det lättare att introducera tekniken på marknaden.

Oxford PV:s tillverkningsanläggning i Tyskland. Oxford PV

Det är teknikstörningar utan affärsstörningar, säger Chris Case, Oxford PV:s tekniska chef.

Dussintals nystartade företag som hade försökt ersätta kisel för ungefär ett decennium sedan hamnade i konkurs istället eller hänvisades till en nischmarknad. Men det har riskkapitalister investerat tiotals miljoner av dollar i perovskite-satsningar under de senaste månaderna, vilket värmde upp vad som länge varit en frostig marknad för alternativa solmaterial. Frågan är nu om perovskiter också kommer att fiilla, eller äntligen kommer att slå kiselpaneler på marknaden.

Det finns en hel uppsättning saker som gör det till en potentiellt transformerande teknologi, säger Joe Berry, som leder perovskitforskningsprogrammet vid National Renewable Energy Laboratory. Men listan över tekniker som har försökt konkurrera med kisel är lång och framstående, så man måste vara ödmjuk i den meningen också.

En solcell på steroider

I slutet av 2000-talet försökte ett antal välfinansierade startups kommersialisera nya och mer flexibla solenergimaterial, inklusive tunnfilmsteknologier som kadmiumtellurid och kopparindiumgalliumselenid (minns du Solyndra ?), samt saker som organiska solceller. Löftet var att celler tillverkade av sådana material skulle vara mycket billigare att tillverka och kunna tillverkas i olika former.

Men kiselsolpaneler var ett snabbt rörligt mål. Effektivitetsnivåerna fortsatte att förbättras och priserna rasade, tack till statligt finansierade forskningsinsatser, marknadsstimulanspolitik och stordriftsfördelar.

Kostnader för kommersiella solceller (US-dollar per watt likström för system med fast lutning)

Källa: National Renewables Energy Laboratory | Diagram skapad av MIT Technology Review

Kina, i synnerhet, använde aggressiva subventioner och strategier för att påskynda tillverkning och export i en strävan att dominera marknaden. Nationens modulleveranser och globala marknadsandelar tog fart med början i mitten av 2000-talet, vilket ledde till anklagelser om illegal dumpning som syftade till att slå ut utländska rivaler. Priserna på kommersiella kiselpaneler sjönk med mer än hälften från 2010 till 2013, och marknaden för alternativ sjönk.

Så nuförtiden, för att rättfärdiga de enorma kostnaderna för att bygga nya fabriker, försörjningskedjor och distributionskanaler, måste alla nya material vara bättre på avgörande sätt: effektivare, billigare att tillverka, mer mångsidig, mer hållbar, eller helst alla ovan.

Perovskite lyser i några av dessa kategorier. Ett enda lager kan teoretiskt nå 33 % effektivitet, medan en tandem perovskite-på-kisel-enhet kan uppnå cirka 43 %. Hög effektivitet är viktigt eftersom du kan producera mer el från samma antal paneler, eller lika mycket med mindre fotavtryck och lägre kostnader.

Perovskite solcellsmoduler borde också vara billigare att tillverka, åtminstone så småningom. Att producera silikonpaneler är ett flersteg tillverkningsprocessen det innebär att förädla kislet under hög värme, infundera det med andra material och exakt skära det i skivor som sedan måste mönstras exakt i ett rent rum för att skapa en solcellscell.

Perovskiter, å andra sidan, kan produceras vid låga temperaturer och användas i flytande form för att belägga flexibla material som plast, vilket möjliggör en rull-till-rulle-tillverkningsprocess som liknar tidningstryck.

Genom att återanvända Boschs tunnfilmstillverkningsanläggning förväntar sig Oxford PV att kunna masstillverka kisel- och perovskitceller i slutet av nästa år och paketera dem till paneler med standardutseende.

Det är en vanlig solcell på steroider, säger Case.

I mars sa Oxford PV att det hade gjort det Uppfostrad mer än 40 miljoner dollar för att få ut sina produkter på marknaden, vilket ger den totala finansieringen och finansieringen till cirka 100 miljoner dollar. Fabriken kommer att pumpa ut 250 megawatts celler varje år.

En annan perovskite-startup, Energy Materials, funderar också på att använda rull-till-rulle-tillverkning. Baserat i Rochester, New York, använder den filmutrustning som ursprungligen byggdes för Eastman Kodak för att massproducera solpaneler som endast är perovskit. I full skala kommer processen att kosta hälften så mycket som att tillverka en traditionell solcellsmodul, medan kapitalkostnaderna kommer att bli en storleksordning billigare, eftersom kisel kräver dyra, precisa maskiner och anläggningar, säger Thomas Tombs, företagets tekniska chef.

Swift Solars flexibla perovskite solcell. Swift Solar

Eftersom perovskite kan vara flexibel, halvtransparent och lätt, kan den också användas där tunga, styva solpaneler inte skulle fungera - på fönster, knarrigare tak, oregelbundet formade ytor eller till och med rörliga fordon.

Swift Solar, en NREL-ansluten startup som har Uppfostrad nästan 7 miljoner dollar de senaste månaderna, är tittar på sätta perovskite-perovskite tandemsolceller – som använder två perovskitlager, var och en inställd på en annan del av spektrumet – på drönare och elfordon för att utöka deras räckvidd, enligt dess VD, Joel Jean. En sådan cell kan vara mycket effektiv, såväl som mer flexibel och lätt än en med ett tjockt kiselskikt.

Låser upp nya användningsområden för solenergi

I hans bok Tämja solen, Varun Sivaram, chief technology officer på ReNew Power, hävdar att ny solenergiteknik som perovskites kan vara avgörande för att i slutändan ersätta fossila bränslen.

Men varför behöver vi ännu billigare solenergi om kiselpaneler redan är konkurrenskraftiga med exempelvis ett kolverk?

Ett av de största problemen med solenergi är att när den väl genererar en betydande del av elen på nätet, börjar mervärdet av nästa panel eller anläggning att sjunka kraftigt.

Det beror på att solgårdar på natten inte genererar elektricitet alls, vilket betyder att resten av systemet fortfarande måste kunna möta den totala efterfrågan. Soliga dagar kan det däremot finnas mer el än vad systemet kan använda eller lagra. Det händer redan i regioner med mycket solenergi, som Tyskland, Kina och Kalifornien.

Nätoperatörer måste regelbundet tvinga eller uppmuntra solenergiparker att strypa sin produktion, ofta genom att pressa ner priserna till noll eller till och med under. Det kan pressa solkraftverkens vinster, vilket eliminerar de ekonomiska incitamenten att bygga fler av dem och fortsätta att minska användningen av fossila bränslen.

I en papper publicerad i Nature Energy 2016, beräknade Sivaram och Shayle Kann, nu verkställande direktör för private equity-företaget Energy Impact Partners, att för att bevara de ekonomiska incitamenten att fortsätta bygga fler anläggningar skulle kostnaden för att utveckla solenergi behöva sjunka till 25 cent per watt . All-in-kostnaderna för de billigaste kommersiella systemen är $1,06 per watt, enligt senaste NREL-rapporten .

Mycket av det beror på det höga priset för att installera och koppla den skrymmande hårdvaran. Så att sänka priset som dramatiskt kommer att kräva inte bara smutsbilliga solceller utan också lätta, flexibla sådana som är lättare att installera. Perovskites är det mest lovande materialet för att göra något sådant språng idag, säger Sivaram.

Billig solel kan också sänka kostnaderna för saker som avsaltning av havsvatten, konstgjorda träd som kan plocka koldioxid från atmosfären eller elektrolysanläggningar som kan omvandla överskottsenergi till vätebränsle.

Det låser upp alla dessa andra nya applikationer som vi aldrig tänkt på förut, säger Sivaram.

Instabilitetsproblemet

Den svårare frågan kring perovskites är deras hållbarhet. Effektivitetssteg spelar inte så stor roll om materialet bara håller i några månader eller till och med år – och hittills har perovskiter tenderat att brytas ned snabbt när de utsätts för ultraviolett ljus och fukt.

Det är ett mycket stort problem för ett material som behöver ligga under solen i några decennier. Och om företag rullar ut perovskitepaneler som slutar misslyckas för tidigt, kommer det att försämra materialets rykte även om de senare utvecklar mer hållbara versioner.

En solcellsarbetare från Oxford undersöker tandemsolceller av perovskit-kisel i kommersiell storlek. Oxford PV

För närvarande beror Oxford PV:s marknadsplan på om dess perovskit-kiselcell kan fås att fungera och se ut som en vanlig kiselsolpanel, vilket inkluderar att förpacka den i ett glashölje som hjälper den att hålla längre.

Men företaget var tvungen att arbeta hårt med stabiliteten hos själva materialet, med hjälp av beräkningsmodellering och snabb screening för att lokalisera lovande kompositioner bland cirka en halv miljon möjligheter. Företagets recept på perovskites är proprietärt, men dess VD, Frank Averdung, är hausse. Vi har löst tillförlitlighetsfrågan, säger han. Vi har lyckats, och detta är anledningen till att vi kan gå in i tillverkningsläge nu.

Dölj