Källa: nsenergybusiness.com
Oxford PV blir det första företaget att sälja perovskit-kiselbaserade solceller till bostadsmarknaden nästa år.
Oxford PV använder ett "tandem"-koncept där en tunn film av perovskit appliceras på en konventionell kisel primärcell (Kredit: Oxford PV)
Oxford PV, som beskriver sig själv som "perovskitföretaget", planerar att vara en nyckelspelare i vad man ser som den soldrivna heleliska framtiden. James Varley, författare för modern power systems magazine, tar en titt på hur företaget siktar på att nå det målet.
Nästa år, om allt går enligt planerna, blir Oxford PV det första företaget att sälja perovskit-kiselbaserade solceller till bostadsmarknaden. De kommer att ha en potentiellt spelförändrande effektivitet, cirka 20 procent högre än den nuvarande etablerade tekniken, kiselceller.
Oxford PV använder ett "tandem"-koncept där en tunn film av perovskit appliceras på en konventionell kisel primär (eller botten) cell (perovskittjockleken är ca 1/200th av kiselens).
Denna tandemmetod förbättrar förmågan att fånga specifika delar av solspektrumet, särskilt i den högenergi, blå änden, vilket innebär att tandemcellen perovskit-on-silicon har en teoretisk effektivitetsgräns på 43% jämfört med 29% för kiselceller.
I praktiken ligger den genomsnittliga effektiviteten hos den solcellsdel för bostäder som hittills installerats i intervallet 15-20%, medan det "verkliga" värdet för kisel uppskattas till cirka 26%.
De tidiga kommersiellt producerade Oxford PV tandemcellerna förväntas uppnå en effektivitet på cirka 27% initialt, men företaget förväntar sig stadiga förbättringar när tekniken utvecklas under de kommande åren. "Vi har en tydlig färdplan för att ta den här tekniken över 30 procent", säger VD Frank Averdung.
Dr Chris Case, CTO vid Oxford PV, noterar att sedan 2014, när företaget bestämde sig för att fokusera uteslutande på perovskit-Si tandem, har det ökat effektiviteten i sin solcell ungefär med en procentenhet per år i genomsnitt och har en väg och de teoretiska grunderna för att vidareutveckla denna teknik hela vägen till det höga 30-talet.
En forskningscell som använder Oxford PV-tekniken har redan uppnått 29,52% (enligt certifierat av US National Renewable Energy Laboratory), ett världsrekord för perovskit-Si tandemceller och också bättre än någon enda-junction forskningscell (för vilken det nuvarande rekordet, 29,2%, innehas av en cell som använder gaas).
Perovskit upptäcktes först i sin naturligt förekommande mineralform (CaTiO3) 1839 (av en tillfällighet samma år som solcellseffekten först observerades, påpekar Chris Case). Men det är först under de senaste tio åren eller så som den enorma potentialen hos syntetiska perovskiter som material för solceller har erkänts fullt ut.
Prof Henry Snaith, som var med och grundade Oxford PV 2010 för att kommersialisera solteknik som överförts från hans laboratorium vid University of Oxford (och är företagets vetenskapliga chef), har spelat en nyckelroll i detta, särskilt via en artikel publicerad i Science 2012, som beskriver en livskraftig solid state solcellsteknik som använder metallhalogenperovskit.
Framstegen under de senaste tio åren har varit anmärkningsvärt snabba och perovskiter drar till sig ett ökat intresse för solenergiområdet.
Liksom alla material som används i solcellstillämpningar är perovskiter – för vilka den generiska kemiska formeln är ABX3, där A och B är cations och X är anjonen – halvledare.
"Perovskiter kommer att vara allestädes närvarande inom fotonik och elektronik under de kommande 50-100 åren", tror Chris Case. "Det är ett så fantastiskt material."
Ur materialvetenskaplig synvinkel finns det en unikhet, det är därför det är så bra, tillägger han. "Var och en av atomerna är orienterad som en uppsättning octahedra som staplas ovanpå varandra och vrids. Den twisten tillåter "avvikande" hög fotoströmsdiffusion, och det är ganska mycket unikt för denna struktur, och människor utnyttjar denna fastighet ... Det här är bra, det är otroligt omvälvande."
De material som används för syntetiska perovskiter är också rikliga, och mängden som används per cellutgångsenhet är mycket liten. "Så ur resurssynpunkt kan tekniken skalas till många TW-nivåer", säger Case.
Och förutom att demonstrera rekordeffektivitet har celler och moduler med Oxford PV-teknik också "klarat externt uppmätta tillförlitlighetstester av branschstandard från International Electrotechnical Commission", tillägger han.
Vägen till marknaden
– Forskarna har gjort sitt jobb, säger Frank Averdung. " De har identifierat materialet. De har gjort strukturen. De har arbetat för att göra det stabilt och har tagit itu med oron för hållbarhet och livslängd. Frågan vi måste komma på ett svar på nu är: hur kommersialiserar vi det?"
Utmaningen är en utmaning som i stort sett varje start-up står inför med något nytt, säger han. " Du har en etablerad marknad. Du har etablerade marknadsaktörer. Du har något betydligt bättre. Men hur får man folk att omfamna det? Hur får du det att hända?"
Som han påpekar är de etablerade aktörerna mångmiljardföretag och de har investerat miljarder i en tillverkningsinfrastruktur. "Är de verkligen intresserade av att skrota allt det där och göra något nytt?" frågar Sigerdung.
Den goda nyheten är att Oxford PV tandem-teknik, med kisel som primärcell, inte kräver att befintlig tillverkningsteknik kastas ut och "inte stör branschen", och detta är en stor fördel.
" När vi lägger en tunnfilmsperovskitcell ovanpå kiselcellen har den fortfarande samma formfaktor och ser fortfarande ut som en konventionell Si-cell, men utgångsspänningen är högre", säger Averdung. – Man kan använda samma verktyg och sätta in dem i samma moduler. Panelstorleken är densamma. Allt är likadant. Men man får betydligt mer ström ut.
När det gäller utseende kommer slutanvändaren inte att märka någon större skillnad, förutom att det kommer att "se lite trevligare ut", tillägger han.
År 2015 visade Oxford PV att tandemcellen var genomförbar, men behövde "ta den till den önskade formfaktorn", förklarar han, så krävde en pilotproduktionslinje eller "begagnad fabrik".
Just en sådan fabrik hittades i Brandenburg an der Havel, Tyskland, och förvärvades 2016. " Det var alldeles för stort för oss den gången men passade perfekt för vår tunnfilmspilotlinje", som var igång 2017, säger Averdung.
"Pilotlinjens roll var, och är fortfarande, i huvudsak produktoptimering, tar alla resultat från Oxford-labbet och skalar upp dem formfaktormässigt och utför branschstandardtester för att verifiera att cellerna uppnår den nödvändiga tillförlitligheten och långsiktig stabilitet och uppfyller industrins behov."
Under några år arbetade Oxford PV med en gemensam utvecklingspartner, ett mycket stort företag inom solcellsbranschen, "som i princip berättade för oss vad branschen skulle vilja", säger Averdung.
Men under 2018 tillägger han att "allt detta förändrades", och företaget bestämde att den "bästa och snabbaste vägen till kommersialisering av tekniken skulle vara att göra det själva, vilket gjorde det möjligt för oss att hålla alla parametrar i tekniken under vår kontroll så att vi kunde vara säkra på att produkten, när den kom till marknaden, passade perfekt för kundernas krav".
Detta krävde att företaget skulle hitta investerare som skulle satsa pengar på det, vilket gjorde det möjligt för det att inrätta en tillverkningsverksamhet. "Vi hade tur", säger Averdung, då ett antal stödjande investerare hittades. Bolagets största aktieägare är nu Equinor, Legal & General Capital, Goldwind och Meyer-Burger.
De pengar som investerarna satsade på företaget gjorde det möjligt att uppgradera brandenburgfabriken som tidigare förvärvats och, förutom den pilotlinje som redan fanns där, upprätta en fullständig tandemcellstillverkningslinje i en annan del av anläggningen.
Detta kommer att bli världens första volymtillverkningslinje för perovskit-on-silicon tandemsolceller och förväntas uppnå en initial målkapacitet på 100 megawatt (MW) runt Q2 nästa år.
Cellerna säljs till modultillverkare (arrangemang finns redan på plats), och den ursprungliga målmarknaden är "premium" bostadstakssektorn. I detta marknadssegment är rymden en kritisk begränsning och den ökade effekttätheten som oxford PV tandemcell ger är särskilt attraktiv.
Med mycket mer el som produceras under installationens livstid finns det en vilja att betala betydande premier för högeffektiva moduler, tror Oxford PV.
Averdung påpekar att cellernas kostnader står för en relativt liten del av de totala kostnaderna för en solcellsanläggning på taket, så ökade cellkostnader har bara en relativt liten effekt på den totala ekonomin jämfört med fördelarna med ökad produktion.
Mot gigafactory
Tillverkningslinjen på 100 MW och bostadsmarknaden ses bara som början. Oxford PV:s vision är en helelektrisk värld med perovskiter som en vanlig solteknik. Förhoppningen är att bolagets senaste finansieringsrunda ska ge det "möjlighet att planera nästa steg, vilket är en gigafabrik", säger Averdung.
Han hoppas ha 2 gigawatt (GW) produktionskapacitet i drift i slutet av 2024 eller däromkring, och sedan lägga till ca 2GW per år och nå mer än 10GW i slutet av decenniet.
Inledningsvis är målmarknaden, som redan nämnts, premiumbostadshuset, men "detta kommer att förändras när vi väl kommer in i GW-skala produktion, då kommer vi att kunna ta itu med dessutom den små kommersiella taksektorn", säger Averdung, och "så snart vi flyttar till 5GW och därefter är bruksskalan inom räckhåll".
På nyttonivå, "handlar det om LCOE", konstaterar han, "förutsatt att kostnaden för din mark är hanterbar", och vid 5-GW produktionskapacitet "kommer vår LCOE att vara mer konkurrenskraftig än någon annans, men det kommer naturligtvis att ta några år".
I slutändan "tänker vi bli en av de stora aktörerna inom solceller", säger Averdung. Och att bemästra vad Chris Case kallar perovskiternas "magi" kan visa sig vara nyckeln till att uppnå den ambitionen.
