Solars stora språng framåt

För att se framtiden för solkraft kan du ta en timmeslång tågresa inåt landet från Shanghai och sedan ta en tutande taxivandring genom smogen i Wuxi, en snabbt växande kinesisk stad med fem miljoner människor. Efter att ha slingrat dig genom en industripark kommer du fram till dörren till Suntech Power, ett företag som på några år sedan grundandet har blivit världens största tillverkare av solpaneler av kristallint kisel.

Solpaneler täcker hela framsidan av det vidsträckta åtta våningar höga högkvarteret. Nästan 2 600 två meter långa paneler bildar den största nätanslutna solfasaden i världen. Tillsammans med en samling av 1 800 mindre paneler på taket kan den generera en megawatt effekt en solig dag. Den förväntas producera över en miljon kilowattimmar el på ett år – tillräckligt för mer än 300 personer i Kina.

Den här historien var en del av vårt julinummer 2010

• Se resten av frågan
• Prenumerera

År 2001, när Suntech grundades, skulle alla solpanelsfabriker i Kina som arbetar med full kapacitet ha tagit sex månader att bygga tillräckligt med paneler för en sådan enorm uppsättning. Suntechs första fabrik, som öppnade 2002, minskade den tiden till lite mer än en månad. Idag kan företaget göra så många paneler på mindre än ett 12-timmarsskift. I slutet av detta år kunde arbetarna vara klara vid lunchtid. Suntechs produktionskapacitet har ökat från 10 megawatt per år 2002 till långt över 1 000 megawatt idag. Kinesisk solenergitillverkning som helhet har ökat sin kapacitet från två megawatt 2001 till över 4 000 megawatt.

Den snabba tillväxten, underblåst av obevekliga kostnadsminskningar, har gjort det möjligt för kinesiska tillverkare att gå om de i USA, Japan och Tyskland på mindre än ett decennium för att bli den största källan till solpaneler i världen. Över hela världen stod kinesiska solpaneler för ungefär hälften av de totala leveranserna 2009. Och den andelen förväntas växa i år. Av de 10 största solpanelstillverkarna är hälften baserade i Kina. Under 2007 levererade amerikanska tillverkare 43 procent av panelerna för ett solrabattprogram i Kalifornien. Resten kom nästan uteslutande från Japan och Tyskland; endast 2 procent kom från Kina. Nu levererar kinesiska företag 42 procent av panelerna, och USA:s aktie har sjunkit till 15 procent enligt en analys av Nathaniel Bullard från Bloomberg New Energy Finance.

År 2004 kostade det i genomsnitt cirka 3,20 dollar per watt att tillverka solpaneler av kisel. Enligt solcellsindustrianalytiker vid Photon Consulting i Boston kan en kinesisk tillverkare göra dem för så lite som $1,28 per watt, medan den västerländska tillverkaren med lägsta kostnad kommer att producera jämförbar teknologi för cirka $2,00 per watt. Denna kostnadsfördel har inte bara gjort kinesiska tillverkare dominerande i branschen, utan det har också hjälpt till att omdefiniera utsikterna för solenergi, och drivit det närmare vad insiders kallar nätparitet – punkten där det är lika billigt som el på elnätet, varav det mesta genereras med fossila bränslen. Om ungefär fem år borde vi kunna nå nätparitet på minst 30 till 50 procent av den globala marknaden, säger Zhengrong Shi, Suntechs grundare och VD, på tal från sitt rymliga kontor och blickar ut över baksidan av hans företags enorma solfasad.

Solens ansikte: En enorm fasad av solcellspaneler hälsar besökare på Suntechs huvudkontor i Wuxi, Kina.

Suntechs strategi hittills har varit att sänka kostnaden per watt genom att minska kostnaderna för att tillverka solpaneler. Men för att nå nätparitet krävs också att panelernas effektivitet ökar så att var och en producerar mer watt. Under ledning av Shi, som var solforskare innan han blev affärsman, har företaget utvecklat ett nytt sätt att tillverka solpaneler; multikristallina moduler som tillverkades förra året slog ett 15 år gammalt rekord för effektivitet i att omvandla solljus till elektricitet. Några månader senare ökade Suntech effektivitetsmärket ännu en gång. Och företagets labb har prototyper som lovar ännu bättre resultat. Om dessa framsteg räcker till kan det äntligen bana väg för Shis dröm om prisvärd solenergi.

Rikedomar och trasor

På många sätt speglar Shi komplexiteten i det samtida Kina. Även om han föddes och växte upp mindre än 100 kilometer från sina fabriker i Wuxi, började han sin karriär i Australien, där han bodde i ett decennium och blev medborgare innan han återvände till Kina 2000 för att dra fördel av landets ekonomiska boom. Jag måste skaffa visum för att jobba i Kina, säger Shi med en antydan till australisk accent och skrattar. Trots sin rikedom och sin ledande position har han den avslappnade men självsäkra känslan av en forskare, klädd i en enkel sportrock och en randig skjorta med öppen krage. Men hans avslappnade utseende och lättsamma australiska manér motsäger hans ambition och hans nära kopplingar till sitt hemland. Flera exemplar av tidningsomslag med honom som solkungen ( Forbes Asien ) och Kinas nya kung av solenergi ( Förmögenhet ) är noggrant arrangerade runt hans rymliga kontor, bland citat från nationella akademier och andra utmärkelser. Besökare i entrén hälsar en enorm version av Ch'an Chu, den kinesiska symbolen för välstånd – en stenpadda som griper ett mynt lika stort som en tallrik i munnen.

Figuren, som också är en symbol för tur, är lämplig. År 2005, när oljepriserna var volatila och många länder, särskilt i Europa, pressade på för att minska koldioxidutsläppen, tog Shi Suntech till börsen på New York-börsen. 2006 blev han den sjunde rikaste mannen i Kina, med ett nettovärde på över 1,4 miljarder dollar, enligt Forbes . Men mannen som gjorde Suntech möjlig kom nästan inte in på solenergi alls.

Shis föräldrar, lantbrukare som lämnats utblottade av hungersnöd som plågade Kina i början av 1960-talet, tvingades ge upp honom för adoption till en nära familjevän när han var ett litet barn. Han utmärkte sig i skolan och fick till slut en kandidatexamen i optisk vetenskap och en magisterexamen i laserfysik. Shi ansökte om att studera utomlands, vilket många begåvade studenter gjorde i Kina i slutet av 1980-talet. Han godkändes – inte för studier i USA, som han hade förväntat sig, utan i Australien. Han visste lite om landet och förlitade sig på ett förslag från en av sina kollegor att han skulle träffa Martin Green, chefen för Photovoltaics Center of Excellence vid University of New South Wales, som var känd för att ha uppfunnit en metod för kiselsolceller som uppnått rekordeffektivitet. Han sökte en avlönad forskartjänst, men Green tackade genast nej till mig, minns Shi. Istället övertalade Green honom att studera till doktorand. Han avslutade examen på bara två och ett halvt år, och 1995 började han arbeta på Pacific Solar, en startup från Greens labb som kommersialiserade en ny typ av tunnfilmssolcell.

År 2000 var Shi verkställande direktör för startupen, men nyheter om solenergiindustrins tillväxt i Europa och Japan gjorde honom otålig. Jag såg möjligheten att solenergi blomstrade, säger han. Samtidigt tog Pacific Solars teknologi för lång tid att få ut på marknaden. Tunnfilm i det skedet var inte riktigt klar än, säger Shi. Han såg också en möjlighet i Kina, där kostnaderna var låga och ingen riktigt förstod tekniken och branschen. Efter 10 år utomlands återvände han till Kina och presenterade en affärsplan för politiker med ansvar för Wuxi New District, en högteknologisk industripark ungefär en timme från där han växte upp. Hans plan var att göra konventionella kiselsolpaneler och göra det billigt. Regeringstjänstemän avvisade honom och antydde att även hans konservativa inställning var ett steg tidigt, minns han. Även om riskkapitalister och stora företag som erbjuder joint ventures är vanliga nu i Kina, var de sällsynta på den tiden. Så Shi tillbringade de följande 10 månaderna med att skapa kontakter och uppvakta politiker medan han, hans fru och deras två små barn levde på hans besparingar. Den verkliga utmaningen var att övertyga kommunala tjänstemän om att jag kunde lyckas i solenergibranschen och inte bara i solcellslaboratoriet, säger han. Så småningom erbjöd de honom 6 miljoner dollar, insamlade från lokala statliga företag, för att starta Suntech.

Suntechs grundare och VD, Zhengrong Shi, poserar på ett däck utanför sitt kontor, med fasaden i bakgrunden.

Shi höll utkik efter varje möjlighet att sänka kostnaderna. Han köpte begagnad utrustning. Han hjälpte ett japanskt företag att designa en ny maskin i utbyte mot en rabatt. Och där han kunde hittade han sätt att ersätta maskiner med billigare arbetskraft.

Tillverkningsmetoderna Shi använde för att få igång företaget kan fortfarande ses i fabriken, som är tillgänglig genom dörrar på baksidan av huvudkontorets byggnad. Arbetare, snarare än de dyra robotarna som används i solcellsfabriker i Japan och väst, överför äggskalstunna kiselwafers en efter en till ställ som tål flammande ugnar där temperaturen når 1 000 °C. Operationen skulle kunna automatiseras, men mänsklig arbetskraft kostar mindre och kan minska brottfrekvensen. Maskiner används där de är värda det: på en annan station testar man uteffekten av färdiga celler med en ljusblixt innan robotarmar placerar dem i soptunnor efter prestanda. En mänsklig besättning sorterar dessa celler ytterligare och identifierar fina nyanser i den djupblå färgen. (All denna sortering görs för att säkerställa konsistensen hos cellerna som går in i en panel.) I en annan byggnad svetsar arbetare samman solceller till remsor och riktar dem sedan med ögat på en ljuslåda för att bilda rader och kolumner av celler som utgöra en komplett solpanel. För att avsluta panelerna limmar par av arbetare ihop ramarna för hand och rengör dem med en trasa.

På begäran

När Shi startade Suntech 2001 kunde hans timing inte ha varit bättre. Tillverkning av solenergi i Kina var nästan obefintlig, så han hade liten inhemsk konkurrens. Samtidigt började marknaden världen över att växa. Prisincitament för solenergi som det tyska parlamentet godkände år 2000 trädde precis i kraft (se Det tyska experimentet) ; efter att dessa subventioner höjdes 2004 blev Tyskland världens största marknad för solpaneler och Suntechs största inkomstkälla.

När andra regeringar införde sina egna incitament för att installera förnybara energikällor, ökade efterfrågan och byggare började chansa på de billiga solpanelerna som kom ut från Kina. Under 2005 och 2006 kunde jag inte skaffa solpaneler, säger Barry Cinnamon, VD för Akeena Solar, en solcellsinstallatör och en av Suntechs första kunder i Kalifornien. Efterfrågan var betydligt större än utbudet. Vilket företag som helst, var som helst i världen, som kunde tillverka en glasbit med sladdar på som genererade elektricitet när solen slog in kunde sälja så många som de ville. Inte bara kunde Suntech möta hans krav, utan det var också villigt att tillgodose Akeenas önskemål. Det som var intressant med Suntech var att de var villiga att bygga en specialdesignad solpanel åt oss, säger han. Ingen annan skulle göra det.

Under åren efter att Shi grundade Suntech fördubblades det totala antalet watt som producerades av solenergiindustrin ungefär vartannat år. Suntech höll sig före kurvan och fördubblade sin egen produktion i genomsnitt varje år fram till 2009, då lågkonjunkturen saktade ner saker och ting. I år kommer dess produktion sannolikt att växa med 100 procent ännu en gång; företaget kommer att sysselsätta 12 000 arbetare. Regeringen gjorde nyligen Suntech berättigad till 7,3 miljarder dollar i lån genom den kinesiska utvecklingsbanken för att finansiera ännu mer expansion.

Kinas framsteg
Källa: Photon Consulting
*För de billigaste tillverkarna i varje land

Samtidigt har hundratals andra solcellsföretag grundats i Kina, och flera har blivit stora leverantörer över hela världen. Yingli Green Energy, baserat nära Peking, har en ännu större andel av Kaliforniens marknad än Suntech, även om det producerar färre paneler totalt sett. Det har också ännu lägre kostnader. Andra, som JA Solar, Trina Solar och China Sunergy, vinner snabbt varumärkeskännedom över hela världen. Mycket av branschen kan spåras tillbaka till Green och hans labb i New South Wales; tidigare elever till honom är nyckelledare i företag som tillsammans producerar 60 procent av de solpaneler som tillverkas i Kina. Men om Green tillhandahöll mycket av den tekniska utbildningen, tillskriver han Shi med affärskunnighet för att hjälpa till att skapa landets blomstrande industri. Tidigare elever har haft stort genomslag i Kina, säger han. Men, tillägger han, jag skulle ge all ära till Zhengrong Shi för att ha banat vägen som de andra har följt.

Gröna knep

När han grundade Suntech visste Shi att det var möjligt att tillverka solceller nästan dubbelt så kraftfulla som de som rullade ut från hans första fabrik. Green hade gjort dem i flera år i sitt labb. Om du ändrar de elektroniska egenskaperna hos de allra högsta kiselskivorna i exakta mönster och sedan spårar extremt fina elektriska kontakter på deras främre och bakre yta för att extrahera elektronisk ström, fångar de resulterande cellerna mycket mer av den strömmen än vad konventionella celler gör. Det enda problemet är att Greens metoder förlitar sig på avancerad och dyr processteknik lånad från halvledarindustrin. Cellerna kostar ungefär 100 gånger så mycket att tillverka som konventionella solceller som de Suntech har tillverkat hittills.

University of New South Wales hade utan framgång försökt kommersialisera tekniken i 20 år, men Shi var fast besluten att hitta ett sätt. Nyckeln var att identifiera billiga metoder för att uppnå samma effekter med lättillgängligt, kommersiellt kisel. Suntech pekar på sina 45 patent och 65 pågående patent och hävdar att det nu har lyckats, men det är hemligt med detaljerna. Endast tre anställda har sett hela processen med att tillverka sina nya produkter. Vi vet att alla som har sett hela linjen kommer att bli måltavla väldigt, väldigt entusiastiskt av andra företag, säger Stuart Wenham, Suntechs tekniska chef. Wenham, en kollega till Green's i New South Wales och Shi's på Pacific Solar, togs in till Suntech 2005 för att producera de avancerade cellerna. Dr Shi var så fast besluten att hålla allt detta konfidentiellt att han köpte sitt eget utrustningsföretag för att tillverka utrustningen för denna teknik, säger han.

Processen innebär att ett nyckelsteg i tillverkningen av konventionella solceller ersätts: screentryck. För att extrahera elektrisk ström från en cell, skriver tillverkare ut rader av silverpasta på dess framsida. Ju närmare varandra dessa elektron-

odefinierad

Kinas framsteg
Källa: Photon Consulting
*För de billigaste tillverkarna i varje land

ledande ledningar är, desto mer effektivt samlar de upp laddning från kislet. Om för mycket av cellens yta skuggas av linjerna kan cellen dock inte absorbera tillräckligt med ljus. Ju tunnare linjerna är, desto närmare kan de komma utan att orsaka detta problem, men utskriftsprocessen kan inte göra dem tunnare än cirka 120 mikrometer.

Suntech-forskarna utvecklade ett sätt att kemiskt behandla kiselskivan i smala band. Dessa behandlade områden drar till sig silver, som bildar metalllinjer bara 20 mikrometer breda. Förutom att resultera i tunnare linjer, gör processen det möjligt att spara materialkostnader genom att använda wafers av kisel så tunna att screentrycksutrustning kan bryta dem när den stämplade linjerna på deras yta. Den ersätter också en behandling som används vid konventionell tillverkning som minskar cellernas effektivitet genom att skada kiselytan. De bästa modulerna som tillverkas med den nya tekniken omvandlar cirka 18 procent av energin i ljus till elektricitet – till skillnad från 13 procent för företagets ursprungliga solpaneler. Nästa år har Suntech för avsikt att rulla ut en nyare version av tekniken, som preliminära tester tyder på kommer att förbättra effektiviteten med ytterligare en eller två procentenheter. Förbättringen kan tyckas blygsam, men ökad effektivitet har stor inverkan på kostnaden för den resulterande elen. Som en tumregel kan en procentenhets förbättring av effektiviteten sänka kostnaderna med över 6 procent.

Suntech finansierar också samarbeten med universitet, inklusive New South Wales och Swinburne University of Technology i Melbourne, för att utveckla solceller som kommer runt en grundläggande begränsning av dagens solceller: de kan inte absorbera alla våglängder i solljus, och de kan inte omvandla all energi i många av dessa våglängder till elektronisk laddning. En viktig investering är i plasmonik, som utnyttjar det faktum att metallpartiklar avsatta på en cells yta kan styra ljusenergi så att den studsar fram och tillbaka i cellen istället för att reflekteras tillbaka ut. Att utnyttja denna effekt skulle kunna göra det möjligt för forskare att minska mängden aktivt halvledarmaterial i en solcell i storleksordningar, eller till och med göra celler av material mycket billigare än renat, kristallint kisel (se Ljusfångande solceller , maj/juni 2010). Dessa koncept kommer förmodligen inte att hitta vägen till kommersiella produkter under de kommande 10 till 20 åren, säger Wenham. Men det kommer de så småningom.

På gränsen

Trots den snabba tillväxten av Suntech och solenergiindustrin över hela världen, bidrar solenergi fortfarande med en försvinnande liten del av den totala el som produceras varje år. I USA är det något över 0,1 procent. Det är ett avrundningsfel, säger Nathaniel Bullard, analytiker för Bloomberg New Energy Finance.

Det är svårt att projicera förloppet för den fortfarande lilla industrin. För det första är alla förutsägelser om när solenergi kan nå nätparitet fulla av osäkerheter, säger Bullard. För att bara ta ett exempel, tänk på att idag står solpanelerna själva för mindre än hälften av den totala kostnaden för tekniken. Kostnaderna för installation, ytterligare utrustning som växelriktare, försäljning och marknadsföring av installatörer och, avgörande, finansiering kommer också att behöva minska. Vad mer är, när det kommer till nätparitet är priset som solcellstillverkare tar ut för sina produkter faktiskt mer betydande än pengarna det kostar att tillverka dem – och det kommer att bero på marknaden. Om efterfrågan på solceller förblir hög, delvis för att statliga incitament i Tyskland och på andra håll stödjer den, kan solpaneler förbli tillräckligt dyra för att hålla priset på solenergi långt över priset på el från nätet.

Det är inte heller ännu klart vilken teknik som är bäst lämpad för utbredd användning av solenergi. Om tio år är de solpaneler som de flesta köper kanske inte ens gjorda av kisel. Att byta skulle vara svårt för Suntech. Även om det har expertis att ändra riktning, beror dess låga tillverkningskostnader på investeringar i utrustning och avtal med kiselleverantörer. Samtidigt har rivaliserande företag ett försprång när det gäller teknologier som använder andra material. First Solar, baserat i Tempe, AZ, tillverkar tunnfilmssolceller gjorda av kadmium och tellur för ännu mindre per watt än de kinesiska företagen som tillverkar kiselceller. Visserligen omvandlar First Solars teknologi endast cirka 11 procent av solljuset till elektricitet; att relativt låg effektivitet leder till högre installationskostnader och begränsar applikationerna det är bra för. Ändå står tunnfilmssolenergi för en stadigt större andel av den totala marknaden, från 3 procent 2003 till mer än 15 procent idag.

Trots all denna osäkerhet är Shi fortfarande övertygad om att kiselbaserad solenergi är på väg att bli konkurrenskraftig utan statliga subventioner. Tanken att solenergi kommer att behöva vänta på ett genombrott för att nå nätparitet är skit, säger han. Han tillägger: Vi pratar inte om raketvetenskap. Vi pratar grundteknik.

Kevin Bullis är Teknikgranskning energiredaktör.

Dölj