For billigere solceller, tyndere er virkelig bedre

Omkostningerne ved solpaneler er styrtdykket i løbet af de sidste mange år, hvilket førte til satser på solcelleanlæg langt større end de fleste analytikere havde forventet. Men med de fleste af de potentielle områder for omkostningsbesparelser allerede skubbet til det ekstreme, yderligere omkostningsreduktioner bliver mere udfordrende at finde.

Nu, forskere ved MIT og på National Renewable Energy Laboratory (NREL) har skitseret en vej til at reducere omkostningerne yderligere, denne gang ved at slanke selve siliciumcellerne.

Tyndere siliciumceller er blevet undersøgt før, især for omkring en snes år siden, da omkostningerne ved silicium toppede på grund af forsyningsmangel. Men denne fremgangsmåde led af nogle vanskeligheder:De tynde siliciumskiver var for sprøde og skrøbelige, hvilket fører til uacceptable tabsniveauer under fremstillingsprocessen, og de havde lavere effektivitet. Forskerne siger, at der nu er måder at begynde at håndtere disse udfordringer på ved hjælp af bedre håndteringsudstyr og nogle nylige udviklinger inden for solcellearkitektur.

De nye fund er detaljeret i et papir i tidsskriftet Energi- og miljøvidenskab , medforfatter af MIT postdoc Zhe Liu, professor i maskinteknik Tonio Buonassisi, og fem andre på MIT og NREL.

Forskerne beskriver deres tilgang som "teknoøkonomisk, "understreger, at økonomiske overvejelser på dette tidspunkt er lige så afgørende som de teknologiske for at opnå yderligere forbedringer af overkommelige priser på solpaneler.

I øjeblikket, 90 procent af verdens solpaneler er fremstillet af krystallinsk silicium, og industrien fortsætter med at vokse med en hastighed på omkring 30 procent om året, siger forskerne. Dagens fotovoltaiske celler i silicium, hjertet af disse solpaneler, er fremstillet af wafers af silicium, der er 160 mikrometer tykke, men med forbedrede håndteringsmetoder, forskerne foreslår, at dette kan barberes ned til 100 mikrometer - og i sidste ende så lidt som 40 mikrometer eller mindre, hvilket kun ville kræve en fjerdedel så meget silicium til en given panelstørrelse.

Det kunne ikke kun reducere omkostningerne ved de enkelte paneler, de siger, men endnu vigtigere kan det muliggøre hurtig udvidelse af solcellepanelets produktionskapacitet. Det skyldes, at udvidelsen kan begrænses af grænser for, hvor hurtigt nye anlæg kan bygges for at producere siliciumkrystalblokke, der derefter skæres som salami for at lave skiverne. Disse planter, som generelt er adskilt fra solcelleproduktionsanlæggene selv, tendens til at være kapitalkrævende og tidskrævende at bygge, hvilket kan føre til en flaskehals i udvidelseshastigheden af ​​solcelleproduktion. Reduktion af wafer tykkelse kan potentielt afhjælpe dette problem, siger forskerne.

Undersøgelsen undersøgte effektivitetsniveauerne for fire variationer af solcellearkitektur, herunder PERC (passiveret emitter og kontakt bagpå) og andre avancerede højeffektive teknologier, sammenligne deres output ved forskellige tykkelsesniveauer. Teamet fandt ud af, at der faktisk var et lille fald i ydeevnen ned til tykkelser helt ned til 40 mikrometer, ved hjælp af nutidens forbedrede fremstillingsprocesser.

"Vi ser, at der er dette område (af graferne over effektivitet versus tykkelse), hvor effektiviteten er flad, "Liu siger, "og så er det den region, hvor du potentielt kan spare nogle penge." På grund af disse fremskridt inden for cellearkitektur, han siger, "vi begyndte virkelig at se, at det var på tide at revidere omkostningsfordelene."

At skifte til de enorme panelfremstillingsanlæg for at tilpasse sig de tyndere wafers vil være en tidskrævende og dyr proces, men analysen viser, at fordelene langt overstiger omkostningerne, Siger Liu. Det vil tage tid at udvikle det nødvendige udstyr og procedurer for at muliggøre det tyndere materiale, men med eksisterende teknologi, han siger, "Det skal være relativt enkelt at gå ned til 100 mikrometer, "som allerede ville give nogle betydelige besparelser. Yderligere forbedringer af teknologien såsom bedre påvisning af mikrosprækker, før de vokser, kan hjælpe med at reducere tykkelser yderligere.

I fremtiden, tykkelsen kan muligvis reduceres til så lidt som 15 mikrometer, han siger. Nye teknologier, der dyrker tynde skiver af siliciumkrystal direkte frem for at skære dem fra en større cylinder, kan hjælpe med at muliggøre en sådan yderligere udtynding, han siger.

Udviklingen af ​​tyndt silicium har fået lidt opmærksomhed i de seneste år, fordi prisen på silicium er faldet fra sit tidligere højdepunkt. Men, på grund af omkostningsreduktioner, der allerede har fundet sted i solcelleeffektivitet og andre dele af solcellepanelets fremstillingsproces og forsyningskæde, prisen på silicium er igen en faktor, der kan gøre en forskel, han siger.

"Effektiviteten kan kun stige med et par procent. Så hvis du ønsker at få yderligere forbedringer, tykkelse er vejen at gå, "Siger Buonassisi. Men konverteringen vil kræve store kapitalinvesteringer til implementering i fuld skala.

Formålet med denne undersøgelse, han siger, er at give en køreplan for dem, der muligvis planlægger udvidelse inden for solproduktionsteknologier. Ved at gøre stien "konkret og håndgribelig, " han siger, det kan hjælpe virksomheder med at indarbejde dette i deres planlægning. "Der er en sti, "siger han." Det er ikke let, men der er en sti. Og for de første tilflyttere, fordelen er betydelig. "

Hvad kan være påkrævet, han siger, er, at de forskellige nøgleaktører i branchen samles og lægger et specifikt sæt skridt fremad og aftalte standarder, som den integrerede kredsløbsindustri tidligt gjorde for at muliggøre eksplosiv vækst i denne industri. "Det ville virkelig være transformerende, " han siger.

Andre Augusto, en associeret forsker ved Arizona State University, der ikke var forbundet med denne forskning, siger "raffinering af silicium og waferfremstilling er den mest kapitalkrævende (capex) krævende del af processen med fremstilling af solpaneler. Så i et scenario med hurtig ekspansion, wafer -forsyningen kan blive et problem. At gå tynd løser dette problem delvist, da du kan fremstille flere skiver pr. Maskine uden at øge kapaciteten betydeligt. "Han tilføjer, at" tyndere skiver kan levere ydelsesfordele i visse klimaer, "klarer sig bedre under varmere forhold.

Vedvarende energianalytiker Gregory Wilson fra Gregory Wilson Consulting, som ikke var tilknyttet dette arbejde, siger "Virkningen af ​​at reducere mængden af ​​silicium, der bruges i almindelige celler, ville være meget betydelig, som papiret påpeger. Den mest oplagte gevinst er i den samlede mængde kapital, der kræves for at skalere PV-industrien til multi-terawatt-skalaen, der kræves af klimaforandringsproblemet. En anden fordel er mængden af ​​energi, der kræves for at producere PV -paneler af silicium. Dette skyldes, at fremstilling af polysilicium og vækststænger, der er nødvendige for produktion af celler med høj effektivitet, er meget energikrævende. "

Wilson tilføjer "Store PV -celle- og modulproducenter skal høre fra troværdige grupper som prof. Buonassisis hos MIT, da de vil foretage dette skift, når de tydeligt kan se de økonomiske fordele. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.