Lähde: nsenergybusiness.com
Oxford PV:stä tulee ensimmäinen yritys, joka myy perovskiittipiipipohjaisia aurinkokennoja asuinkattomarkkinoille ensi vuonna.
Oxford PV käyttää "tandem"-konseptia, jossa ohut perovskiittikalvo levitetään perinteiseen piin primäärikennaan (Credit: Oxford PV)
Oxford PV, joka kuvailee itseään "perovskiittiyhtiöksi", aikoo olla avainasemassa siinä, mitä se pitää aurinkoenergialla toimivana täyssähköisenä tulevaisuudena. Modern Power Systems -lehden kirjoittaja James Varley tarkastelee, miten yhtiö pyrkii saavuttamaan tämän tavoitteen.
Ensi vuonna, jos kaikki menee suunnitelmien mukaan, Oxford PV:stä tulee ensimmäinen yritys, joka myy perovskiittipiipipohjaisia aurinkokennoja asuntojen kattomarkkinoille. Niiden tehokkuus saattaa muuttua, noin 20 prosenttia nykyistä vakiintunutta teknologiaa, vain piikennoja, korkeammalla.
Oxford PV käyttää "tandem"-konseptia, jossa ohut perovskiittikalvo levitetään tavanomaiseen piin primäärikennaan (tai pohjaan) (perovskiittipaksuus on noin 1/200 piin paksuudesta).
Tämä tandem-lähestymistapa parantaa kykyä kaapata tiettyjä aurinkospektrin osia, erityisesti korkeaenerkoisen sinisen päässä, mikä tarkoittaa, että perovskiitti-pii-tandem-solun teoreettinen hyötysuhderaja on 43% vs 29% vain piisoluille.
Käytännössä tähän mennessä asennetun asuinkäyttöön asennetun piisähkön keskimääräinen hyötysuhde on 15–20 prosenttia, kun taas piin "reaalimaailman" enimmäismäärän arvioidaan olevan noin 26 prosenttia.
Varhain kaupallisesti tuotettujen Oxford PV -tandemkennojen odotetaan saavuttavan aluksi noin 27 prosentin tehokkuuden, mutta yhtiö ennakoi tasaisia parannuksia teknologian kehittyessä lähivuosina. "Meillä on selkeä etenemissuunnitelma tämän teknologian vieminen yli 30 prosenttiin", sanoo toimitusjohtaja Frank Averdung.
Oxford PV:n CTO:n tohtori Chris Case toteaa, että vuodesta 2014 lähtien, jolloin yhtiö päätti keskittyä yksinomaan perovskite-Si-tandemiin, se on lisännyt aurinkokennonsa tehokkuutta keskimäärin noin prosenttiyksiköllä vuodessa ja sillä on polku ja teoreettinen perusta kehittää tätä teknologiaa edelleen aina 30-luvulle asti.
Oxfordin PV-teknologiaa käyttävät tutkimussolut ovat jo saavuttaneet 29,52% (Yhdysvaltain kansallisen uusiutuvan energian laboratorion sertifioimana), perovskiitti-Si-tandemsolujen maailmanennätyksen ja myös paremman kuin mikään yhden risteyksen tutkimussolu (jonka nykyinen ennätys, 29,2%, on GaA:ta työllistävällä solulla).
Perovskiitti löydettiin ensimmäisen kerran luonnossa esiintyvästä mineraalimuodostaan (CaTiO3) vuonna 1839 (sattumalta samana vuonna kuin aurinkosähkövaikutus havaittiin ensimmäisen kerran, Chris Case huomauttaa). Mutta vasta noin kymmenen viime vuoden aikana synteettisten perovskiittien valtavat mahdollisuudet aurinkokennojen materiaalina on täysin tunnustettu.
Professori Henry Snaith, joka perusti Oxford PV: n vuonna 2010 kaupallistamaan Oxfordin yliopiston laboratoriostaan siirrettyä aurinkoteknologiaa (ja on yhtiön johtava tieteellinen upseeri), on ollut tässä avainasemassa erityisesti Science-lehdessä vuonna 2012 julkaistun paperin avulla, jossa kuvataan elinkelpoista solid-state-aurinkokennoteknologiaa, jossa käytetään metallihalidi perovskiittia.
Viimeisten 10 vuoden aikana on tapahtunut huomattavan nopeaa edistystä, ja perovskiitit herättävät yhä enemmän kiinnostusta aurinkokentälle.
Kuten kaikki aurinkokennosovelluksissa käytetyt materiaalit, perovskiitit – joiden yleinen kemiallinen kaava on ABX3, jossa A ja B ovat kationsa ja X on anioni – ovat puolijohteisiin.
"Perovskiitit ovat kaikkialla fotonikoissa ja elektroniikassa seuraavat 50-100 vuotta", Chris Case uskoo. "Se on niin upea materiaali."
Materiaalitieteen näkökulmasta "on ainutlaatuisuutta, siksi se on niin hyvä", hän lisää. "Jokainen atomi on suuntautunut oktaedrasarjaksi, joka on pinottu päälleen ja kierretty. Tämä kierre mahdollistaa "poikkeavan" korkean valovirtaisen difuusion, ja se on melko ainutlaatuista tälle rakenteelle, ja ihmiset hyödyntävät tätä ominaisuutta... Tämä aine on hienoa, se on uskomattoman mullistavaa."
Myös synteettisiin perovskiit-aineisiin käytetyt materiaalit ovat runsaita, ja solun ulostuloyksikköä kohti käytetty määrä on hyvin pieni. "Joten resurssien näkökulmasta teknologia voidaan skaalata monelle TW-tasolle", Case sanoo.
Ja sen lisäksi, että Oxford PV -teknologiaa käyttävät solut ja moduulit osoittavat ennätystehokkuuden, ne ovat myös "läpäisseet ulkoisesti mitatut teollisuuden standardiluotettavuustestit Kansainväliseltä sähköteknisiltä komissioilta", hän lisää.
Reitti markkinoille
"Tutkijat ovat tehneet työnsä", sanoo Frank Averdung. "He ovat tunnistaneet materiaalin. He ovat tehneet rakenteen. He ovat työskennelleet sen vakaina ja ovat käsitellyt huolta kestävyydestä ja eliniästä. Meidän on nyt keksittävä vastaus: miten kaupallistamme sen?"
Haaste on sellainen, joka kohtaa aika lailla jokaisen start-upin, jossa on jotain uutta, hän sanoo. "Teillä on vakiintuneet markkinat. Olet perustanut markkinapelaajia. Sinulla on jotain huomattavasti parempaa. Mutta miten saat ihmiset omaksumaan sen? Miten saat sen tapahtumaan?"
Kuten hän huomauttaa, vakiintuneet toimijat ovat miljardien dollarien yrityksiä, ja ne ovat investoineet miljardeja valmistusinfrastruktuuriin. "Ovatko he todella kiinnostuneita romuttamaan kaiken tuon ja tekemään jotain uutta?" kysyy Averdung.
Hyvä uutinen on, että Oxfordin PV-tandemteknologia, jossa pii on ensisijainen kenno, ei vaadi olemassa olevan valmistusteknologian hylkäämistä ja "ei häiritse teollisuutta", ja tämä on suuri etu.
"Kun laitamme ohuen kalvon perovskiittikennon piikennon päälle, sillä on edelleen sama muotokerroin ja se näyttää edelleen tavanomaiselta Si-kennolta, mutta lähtöjännite on korkeampi", Averdung sanoo. "Voit käyttää samoja työkaluja ja asettaa ne samaan moduuliin. Paneelin koko on sama. Kaikki on samalla tavalla. Mutta saat huomattavasti enemmän virtaa pois."
Ulkonäön suhteen loppukäyttäjä ei huomaa suurta eroa, paitsi että se "näyttää hieman mukavalta", hän lisää.
Vuonna 2015 Oxford PV osoitti, että tandemkenno oli toteuttamiskelpoinen, mutta sen piti "tuoda se vaadittuun muototekijään", hän selittää, joten tarvittiin pilottituotantolinja tai "käytetty tehdas".
Juuri tällainen tehdas löydettiin Brandenburg an der Havelista Saksasta ja hankittiin vuonna 2016. "Se oli meille aivan liian suuri sillä kertaa, mutta sopi täydellisesti ohutkalvopilottilinjallemme", joka oli toiminnassa vuonna 2017", Averdung sanoo.
"Pilottilinjan rooli oli ja on edelleen pohjimmiltaan tuotteiden optimointi, kaikkien Oxfordin laboratorion tulosten ottaminen ja niiden skaalaaminen muodoltaan ja alan standarditestauksen suorittamiseksi sen varmistamiseksi, että solut saavuttavat vaaditun luotettavuuden ja pitkän aikavälin vakauden ja että ne ovat alan tarpeiden tasalla."
Muutaman vuoden ajan Oxford PV työskenteli yhteisen kehityskumppanin kanssa, joka on erittäin suuri aurinkosähköliiketoiminnan yritys, "joka periaatteessa kertoo meille, mitä ala haluaisi", Averdung sanoo.
Mutta vuonna 2018 hän lisää, että "kaikki tämä muuttui", ja yhtiö päätti, että "paras ja nopein reitti teknologian kaupallistamiseen olisi tehdä se itse, jolloin voimme pitää kaikki teknologian parametrit hallinnassamme, jotta voimme olla varmoja siitä, että tuote, kun se tuli markkinoille, sopisi täydellisesti asiakkaiden vaatimuksiin".
Tämä edellytti, että yritys löytää sijoittajia, jotka sijoittaisivat siihen rahaa, jotta se olisi mahdollistanut tuotanto-operaation. "Olimme onnekkaita", Averdung sanoo, sillä useita kannustavia sijoittajia löytyi. Yhtiön suurimmat osakkeenomistajat ovat nyt Equinor, Legal & General Capital, Goldwind ja Meyer-Burger.
Sijoittajien yhtiölle sijoittama raha mahdollisti aiemmin hankitun Brandenburgin tehtaan päivittämisen ja siellä jo olevan pilottilinjan lisäksi täydellisen tandemkennojen valmistuslinjan eri osaan laitosta.
Tämä on maailman ensimmäinen perovskiitti-pii-tandem-aurinkokennojen volyymivalmistuslinja, ja sen odotetaan saavuttavan ensi vuonna 100 megawatin (MW) alkuperäisen tavoitekapasiteetin toisen neljänneksen tienoilla.
Kennoja myydään moduulien valmistajille (järjestelyt ovat jo käytössä), ja ensimmäiset kohdemarkkinat ovat "premium"-asuinkattosektori. Tällä markkinasegmentillä avaruus on kriittinen rajoite, ja Oxfordin aurinkosähkön tandemkennon tarjoama tehotiheyden kasvu on erityisen houkuttelevaa.
Koska laitoksen käyttöiän aikana tuotetaan paljon enemmän sähköä, on halukkuutta maksaa huomattavia palkkioita korkean hyötytehokkaan moduulin osalta, Oxford PV uskoo.
Averdung huomauttaa, että kennojen kustannukset ovat suhteellisen pieni osa katolla sijaitsevasta aurinkosähkölaitoksesta aiheutuvista kokonaiskustannuksista, joten kohonnetuilla solukustannuksilla on vain suhteellisen pieni vaikutus kokonaistalouteen verrattuna lisääntyneen tuotannon hyötyihin.
Kohti gigafactorya
100 MW:n valmistuslinjaa ja asuntojen kattomarkkinoita pidetään vasta alkua. Oxford PV:n visio on täyssähköinen maailma, jossa perovskiitit ovat valtavirran aurinkoteknologiaa. Yhtiön viimeisimmän rahoituskierroksen toivotaan antavan sille "keinot suunnitella seuraavaa askelta, joka on gigafactory", Averdung sanoo.
Hän toivoo saavansa käyttöönsä 2 gigawattia (GW) tuotantokapasiteettia vuoden 2024 loppuun mennessä ja lisäävänsä sitten noin 2 GW vuodessa ja saavuttavansa yli 10 GW vuosikymmenen loppuun mennessä.
Aluksi kohdemarkkinat ovat, kuten jo todettiin, premium-asuinkatto, mutta "tämä muuttuu, kun pääsemme GW-mittakaavan tuotantoon, sitten voimme käsitellä lisäksi pieni kaupallista kattosektoria", sanoo Averdung, ja "heti kun siirrymme 5GW: hen ja sen jälkeen, hyödyllisyysasteikko on ulottuvilla".
Yleishyödyllisessä mittakaavassa "kyse on LCOE:sta", hän toteaa, "olettaen, että maasi kustannukset ovat hallittavissa", ja 5 GW:n tuotantokapasiteetilla "LCOE on kilpailukykyisempi kuin kenenkään muun, mutta se vie tietenkin muutaman vuoden".
Lopulta "aiomme tulla yhdeksi suurimmista aurinkosähkön toimijoista", Averdung sanoo. Chris Casen kutsuma perovskiittien "taikuuden" hallitseminen voi osoittautua avaintekijäksi tämän tavoitteen saavuttamisessa.
