Forskere udvikler en køreplan for vækst af nye solceller

Materialer kaldet perovskitter viser et stort potentiale for en ny generation af solceller, men de har haft problemer med at vinde indpas på et marked domineret af siliciumbaserede solceller. Nu, en undersøgelse foretaget af forskere ved MIT og andre steder skitserer en køreplan for, hvordan denne lovende teknologi kan bevæge sig fra laboratoriet til en væsentlig plads på det globale solcellemarked.

Den "teknoøkonomiske" analyse viser, at ved at starte med nichemarkeder af højere værdi og gradvist udvide, solpanelproducenter kunne undgå de meget høje startkapitalomkostninger, der ville være nødvendige for at gøre perovskit-baserede paneler direkte konkurrencedygtige med silicium til installationer i stor brugsskala i starten. I stedet for at lave en uoverkommelig dyr startinvestering, på hundredvis af millioner eller endda milliarder af dollars, at bygge et anlæg til produktion i brugsskala, holdet fandt ud af, at start med mere specialiserede applikationer kunne opnås for mere realistiske startkapitalinvesteringer i størrelsesordenen $40 millioner.

Resultaterne er beskrevet i en artikel i tidsskriftet Joule af MIT postdoc Ian Mathews, forsker Marius Peters, professor i maskinteknik Tonio Buonassisi, og fem andre på MIT, Wellesley College, og Swift Solar Inc.

Solceller baseret på perovskitter - en bred kategori af forbindelser karakteriseret ved et bestemt arrangement af deres molekylære struktur - kunne give dramatiske forbedringer i solcelleanlæg. Deres bestanddele er billige, og de kunne fremstilles i en rulle-til-rulle-proces som at trykke en avis, og trykt på let og fleksibelt bagsidemateriale. Dette kan i høj grad reducere omkostningerne forbundet med transport og installation, selvom de stadig kræver yderligere arbejde for at forbedre deres holdbarhed. Andre lovende nye solcellematerialer er også under udvikling i laboratorier rundt om i verden, men ingen har endnu gjort indtog på markedet.

"Der er blevet lanceret en masse nye solcellematerialer og virksomheder gennem årene, " siger Mathews, "og stadigvæk, Bortset fra det, silicium er fortsat det dominerende materiale i branchen og har været det i årtier. "

Hvorfor er det tilfældet? "Folk har altid sagt, at en af ​​de ting, der holder nye teknologier tilbage, er, at omkostningerne ved at bygge store fabrikker til rent faktisk at producere disse systemer i stor skala er bare for store, " siger han. "Det er svært for en startup at krydse det, der kaldes 'dødens dal,' ' at rejse de titusindvis af millioner af dollars, der kræves for at komme til den skala, hvor denne teknologi kan være rentabel i den bredere solenergiindustri."

Men der er en række mere specialiserede solcelleapplikationer, hvor de særlige kvaliteter af perovskit-baserede solceller, såsom deres lette vægt, fleksibilitet, og potentiale for gennemsigtighed, vil give en væsentlig fordel, siger Mathews. Ved at fokusere på disse markeder i første omgang, et opstartssolfirma kunne gradvist bygge op til skalering, udnytte overskuddet fra premiumprodukterne til at udvide dets produktionskapacitet over tid.

Beskriver litteraturen om perovskit-baserede solceller, der udvikles i forskellige laboratorier, han siger, "De hævder meget lave omkostninger. Men de hævder det, når din fabrik når en vis skala. Og jeg tænkte, vi har set det før – folk hævder, at et nyt solcellemateriale vil være billigere end resten og bedre end resten. Det er fantastisk, bortset fra, at vi skal have en plan for, hvordan vi rent faktisk får materialet og teknologien til at skalere."

Som udgangspunkt han siger, "Vi tog den tilgang, som jeg ikke rigtig har set nogen andre tage:Lad os faktisk modellere omkostningerne ved at fremstille disse moduler som en funktion af skalaen. Så hvis du bare har 10 personer på en lille fabrik, hvor meget skal du sælge dine solpaneler til for at være rentabel? Og når du når skalaen, hvor billigt bliver dit produkt?"

Analysen bekræftede, at det ville kræve meget store forudgående kapitalinvesteringer at forsøge at springe direkte ind på markedet for solcelleanlæg på taget eller i brugsskala. han siger. Men "vi så på de priser, folk kan få på tingenes internet, eller markedet for bygningsintegreret solcelle. Folk betaler normalt en højere pris på disse markeder, fordi de mere er et specialiseret produkt. De vil betale lidt mere, hvis dit produkt er fleksibelt, eller hvis modulet passer ind i en bygningskonvolut." Andre potentielle nichemarkeder omfatter selvdrevne mikroelektronikenheder.

Sådanne applikationer ville gøre det muligt at komme ind på markedet uden at kræve massive kapitalinvesteringer. "Hvis du gør det, det beløb, du skal investere i din virksomhed, er meget, meget mindre, i størrelsesordenen nogle få millioner dollars i stedet for titusinder eller hundreder af millioner dollars, og det giver dig mulighed for hurtigere at udvikle en profitabel virksomhed, " han siger.

"Det er en måde for dem at bevise deres teknologi, både teknisk og ved faktisk at bygge og sælge et produkt og sørge for, at det overlever i marken, Mathews siger, "og også, bare for at bevise, at du kan fremstille til et bestemt prispunkt."

Allerede, der er en håndfuld startup-virksomheder, der arbejder på at forsøge at bringe perovskite-solceller på markedet, han påpeger, selvom ingen af ​​dem endnu har et egentligt produkt til salg. Virksomhederne har taget forskellige tilgange, og nogle ser ud til at gå i gang med den slags trinvise væksttilgang, der er skitseret af denne forskning, han siger. "Sandsynligvis er det firma, der har rejst flest penge, et firma kaldet Oxford PV, og de kigger på tandemceller, " som inkorporerer både silicium- og perovskitceller for at forbedre den overordnede effektivitet. En anden virksomhed er en, der er startet af Joel Jean Ph.D. '17 (som også er medforfatter til dette papir) og andre, kaldet Swift Solar, som arbejder på fleksible perovskitter. Og der er et firma, der hedder Saule Technologies, arbejder på printbare perovskites.

Mathews siger, at den slags teknoøkonomiske analyse, teamet brugte i sin undersøgelse, kunne anvendes på en lang række andre nye energirelaterede teknologier, inklusive genopladelige batterier og andre opbevaringssystemer, eller andre typer af nye solcellematerialer.

"Der er mange videnskabelige artikler og akademiske undersøgelser, der ser på, hvor meget det vil koste at fremstille en teknologi, når den først er i skala, " siger han. "Men meget få mennesker ser faktisk på, hvor meget det koster i meget lille skala, og hvad er de faktorer, der påvirker stordriftsfordele? Og det tror jeg kan gøres for mange teknologier, og det ville hjælpe os med at accelerere, hvordan vi får innovationer fra laboratorium til marked. "

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.