Quelle: nsenergybusiness.com
Oxford PV wird im nächsten Jahr das erste Unternehmen sein, das Perowskit-Silizium-basierte Solarzellen an den Wohndachmarkt verkauft.
Oxford PV verwendet ein "Tandem"-Konzept, bei dem ein dünner Perowskitfilm auf eine herkömmliche Silizium-Primärzelle aufgebracht wird (Credit: Oxford PV)
Oxford PV, das sich selbst als "das Perowskit-Unternehmen" bezeichnet, plant, ein wichtiger Akteur in der aus seiner Sicht solarbetriebenen vollelektrischen Zukunft zu sein. James Varley, Autor des Modern Power Systems Magazins, wirft einen Blick darauf, wie das Unternehmen dieses Ziel erreichen will.
Nächstes Jahr, wenn alles nach Plan läuft, wird Oxford PV das erste Unternehmen sein, das Perowskit-Silizium-basierte Solarzellen an den Wohndachmarkt verkauft. Sie werden eine potenziell bahnbrechende Effizienz haben, die etwa 20% höher ist als die derzeit etablierte Technologie, Siliziumzellen.
Oxford PV verwendet ein "Tandem" -Konzept, bei dem ein dünner Perowskitfilm auf eine herkömmliche Silizium-Primärzelle (oder Bodenzelle) aufgebracht wird (die Perowskitdicke beträgt etwa 1/200 der des Siliziums).
Dieser Tandemansatz verbessert die Fähigkeit, bestimmte Teile des Sonnenspektrums einzufangen, insbesondere am hochenergetischen, blauen Ende, was bedeutet, dass die Perowskit-auf-Silizium-Tandemzelle eine theoretische Effizienzgrenze von 43% gegenüber 29% für Siliziumzellen hat.
In der Praxis liegt der durchschnittliche Wirkungsgrad der bisher installierten Silizium-PV für Wohngebäude im Bereich von 15-20%, während das "reale" Maximum für Silizium auf etwa 26% geschätzt wird.
Die frühen kommerziell produzierten Oxford PV-Tandemzellen sollen zunächst einen Wirkungsgrad von etwa 27% erreichen, aber das Unternehmen erwartet stetige Verbesserungen, wenn sich die Technologie in den kommenden Jahren entwickelt. "Wir haben eine klare Roadmap, um diese Technologie über 30% hinaus zu bringen", sagt CEO Frank Averdung.
Dr. Chris Case, CTO bei Oxford PV, stellt fest, dass das Unternehmen seit 2014, als es beschloss, sich ausschließlich auf das Perowskit-Si-Tandem zu konzentrieren, den Wirkungsgrad seiner Solarzelle im Durchschnitt um etwa einen Prozentpunkt pro Jahr gesteigert hat und einen Weg und die theoretischen Grundlagen hat, um diese Technologie bis in die hohen 30er Jahre weiterzuentwickeln.
Eine Forschungszelle, die die Oxford-PV-Technologie verwendet, hat bereits 29,52% erreicht (zertifiziert vom US National Renewable Energy Laboratory), einen Weltrekord für Perowskit-Si-Tandemzellen und auch besser als jede Single-Junction-Forschungszelle (für die der aktuelle Rekord von 29,2% von einer Zelle mit GaAs gehalten wird).
Perowskit wurde erstmals 1839 in seiner natürlich vorkommenden Mineralform (CaTiO3) entdeckt (zufällig im selben Jahr, in dem der photovoltaische Effekt zum ersten Mal beobachtet wurde, betont Chris Case). Doch erst in den letzten zehn Jahren wurde das enorme Potenzial synthetischer Perowskite als Material für Solarzellen voll erkannt.
Prof. Henry Snaith, der Oxford PV im Jahr 2010 mitbegründete, um Solartechnologie aus seinem Labor an der Universität Oxford zu kommerzialisieren (und chief scientific officer des Unternehmens ist), hat dabei eine Schlüsselrolle gespielt, insbesondere durch ein 2012 in Science veröffentlichtes Papier, das eine praktikable Festkörper-Solarzellentechnologie mit Metallhalogenid-Perowskit beschreibt.
Die Fortschritte in den letzten 10 Jahren waren bemerkenswert schnell und Perowskite stoßen auf zunehmendes Interesse im Solarbereich.
Wie alle Materialien, die in Solarzellenanwendungen verwendet werden, sind Perowskite – für die die generische chemische Formel ABX3 ist, wobei A und B Kationen und X das Anion sind – Halbleiter.
"Perowskite werden in den nächsten 50-100 Jahren in der Photonik und Elektronik allgegenwärtig sein", glaubt Chris Case. "Es ist so ein atemberaubendes Material."
Aus materialwissenschaftlicher Sicht "gibt es eine Einzigartigkeit, deshalb ist sie so gut", fügt er hinzu. "Jedes der Atome ist als eine Reihe von Oktaedern ausgerichtet, die übereinander gestapelt und verdreht sind. Diese Drehung ermöglicht eine "anomale" hohe Photostromdiffusion, und das ist ziemlich einzigartig für diese Struktur, und die Leute nutzen diese Eigenschaft aus ... Dieses Zeug ist großartig, es ist unglaublich transformativ."
Auch die Materialien, die für synthetische Perowskite verwendet werden, sind reichlich vorhanden, und die Menge, die pro Einheit der Zellleistung verwendet wird, ist sehr gering. "Aus Sicht der Ressourcen ist die Technologie also in der Lage, auf die vielen TW-Ebenen zu skalieren", sagt Case.
Und neben dem Nachweis einer Rekordeffizienz haben Zellen und Module, die die Oxford PV-Technologie verwenden, auch "extern gemessene Zuverlässigkeitstests nach Industriestandard der International Electrotechnical Commission bestanden", fügt er hinzu.
Der Weg zum Markt
"Die Wissenschaftler haben ihre Arbeit getan", sagt Frank Averdung. "Sie haben das Material identifiziert. Sie haben die Struktur gemacht. Sie haben daran gearbeitet, es stabil zu machen und Haben Bedenken hinsichtlich Haltbarkeit und Lebensdauer ausräumt. Die Frage, auf die wir jetzt eine Antwort finden müssen, ist: Wie kommerzialisieren wir es?"
Die Herausforderung sei eine, vor der so ziemlich jedes Start-up mit etwas Neuem stehe, sagt er. "Sie haben einen etablierten Markt. Sie haben etablierte Marktteilnehmer. Sie haben etwas deutlich Besseres. Aber wie bekommt man die Leute dazu, es anzunehmen? Wie machst du das möglich?"
Wie er betont, sind die etablierten Akteure Multimilliarden-Dollar-Unternehmen und sie haben Milliarden in eine Fertigungsinfrastruktur investiert. "Sind sie wirklich daran interessiert, all das zu verschrotten und etwas Neues zu machen?", fragt Averdung.
Die gute Nachricht ist, dass die Oxford PV-Tandemtechnologie mit Silizium als Primärzelle nicht den Strahl bestehender Fertigungstechnologien erfordert und "die Industrie nicht stört", und dies ist ein großer Vorteil.
"Wenn wir eine Dünnschicht-Perowskitzelle auf die Silizium-Primärzelle legen, hat sie immer noch den gleichen Formfaktor und sieht immer noch wie eine herkömmliche Si-Zelle aus, aber die Ausgangsspannung ist höher", sagt Averdung. "Sie können die gleichen Werkzeuge verwenden und sie in die gleichen Module einfügen. Die Panelgröße ist gleich. Alles ist gleich. Aber man bekommt deutlich mehr Power out."
In Bezug auf das Aussehen wird der Endbenutzer keinen großen Unterschied bemerken, außer dass es "ein bisschen schöner aussieht", fügt er hinzu.
Im Jahr 2015 demonstrierte Oxford PV, dass die Tandemzelle machbar war, aber "sie auf den erforderlichen Formfaktor bringen musste", erklärt er, so dass eine Pilotproduktionslinie oder "gebrauchte Fabrik" erforderlich war.
Eine solche Fabrik wurde in Brandenburg an der Havel gefunden und 2016 erworben. "Es war damals viel zu groß für uns, passte aber perfekt zu unserer Dünnschicht-Pilotlinie", die 2017 in Betrieb war", sagt Averdung.
"Die Rolle der Pilotlinie war und ist im Wesentlichen die Produktoptimierung, indem alle Ergebnisse aus dem Oxford-Labor in Formfaktor hochskaliert und Industriestandardtests durchgeführt werden, um zu überprüfen, ob die Zellen die erforderliche Zuverlässigkeit und Langzeitstabilität erreichen und die Anforderungen der Industrie erfüllen."
Einige Jahre lang arbeitete Oxford PV mit einem gemeinsamen Entwicklungspartner, einem sehr großen Unternehmen im Photovoltaik-Geschäft, zusammen und "sagte uns im Grunde, was die Branche will", sagt Averdung.
Aber im Jahr 2018 fügt er hinzu, dass sich "all das geändert hat", und das Unternehmen entschied, dass der "beste und schnellste Weg zur Kommerzialisierung der Technologie darin bestehen würde, es selbst zu tun, so dass wir alle Parameter der Technologie unter unserer Kontrolle halten können, so dass wir sicher sein konnten, dass das Produkt, wenn es auf den Markt kam, perfekt zu den Kundenanforderungen passte".
Dies erforderte, dass das Unternehmen Investoren fand, die Geld in es steckten, um einen Produktionsbetrieb zu gründen. "Wir hatten Glück", sagt Averdung, als eine Reihe von unterstützenden Investoren gefunden wurden. Zu den Hauptaktionären des Unternehmens gehören nun Equinor, Legal & General Capital, Goldwind und Meyer-Burger.
Das von Investoren in das Unternehmen gesteckte Geld ermöglichte es, das zuvor erworbene Brandenburger Werk zu aufrüsten und zusätzlich zu der bereits bestehenden Pilotlinie eine vollständige Tandemzellenfertigungslinie in einem anderen Teil der Anlage zu errichten.
Dies wird die weltweit erste Serienfertigungslinie für Perowskit-auf-Silizium-Tandemsolarzellen sein und voraussichtlich im nächsten Quartal eine anfängliche Zielkapazität von 100 Megawatt (MW) um Q2 erreichen.
Die Zellen werden an Modulhersteller verkauft (Vereinbarungen sind bereits vorhanden), und der erste Zielmarkt ist der "Premium" -Wohndachsektor. In diesem Marktsegment ist der Platz eine kritische Einschränkung und die erhöhte Leistungsdichte der Oxford PV-Tandemzelle ist besonders attraktiv.
Da über die Lebensdauer der Anlage viel mehr Strom erzeugt wird, besteht die Bereitschaft, erhebliche Prämien für hocheffiziente Module zu zahlen, glaubt Oxford PV.
Averdung weist darauf hin, dass die Kosten der Zellen einen relativ geringen Anteil an den Gesamtkosten einer PV-Dachanlage ausmachen, so dass erhöhte Zellkosten im Vergleich zu den Vorteilen einer erhöhten Leistung nur einen relativ geringen Einfluss auf die Gesamtwirtschaftlichkeit haben.
Auf dem Weg zur Gigafactory
Die 100-MW-Fertigungslinie und der Markt für Wohndächer gelten nur als der Anfang. Die Vision von Oxford PV ist eine vollelektrische Welt mit Perowskiten als Mainstream-Solartechnologie. Man hoffe, dass das Unternehmen durch die jüngste Finanzierungsrunde "die Mittel erhält, um den nächsten Schritt, eine Gigafactory, zu planen", sagt Averdung.
Er hofft, bis Ende 2024 oder danach 2 Gigawatt (GW) Produktionskapazität in Betrieb zu haben und dann etwa 2 GW pro Jahr hinzuzufügen, was bis zum Ende des Jahrzehnts mehr als 10 GW erreicht.
Zunächst ist der Zielmarkt, wie bereits erwähnt, das Premium-Wohndach, aber "das wird sich ändern, sobald wir in die Produktion im GW-Maßstab einsteigen, dann werden wir in der Lage sein, zusätzlich den klein-kommerziellen Dachsektor anzusprechen", sagt Averdung, und "sobald wir zu 5 GW und darüber hinaus übergehen, ist der Versorgungsmaßstab in Reichweite".
Im Versorgungsmaßstab "dreht sich alles um LCOE", bemerkt er, "vorausgesetzt, die Kosten für Ihr Land sind überschaubar", und bei einer Produktionskapazität von 5 GW "wird unsere LCOE wettbewerbsfähiger sein als die aller anderen, aber das wird natürlich ein paar Jahre dauern".
Am Ende "wollen wir einer der großen Player in der Photovoltaik werden", sagt Averdung. Und die Beherrschung dessen, was Chris Case die "Magie" von Perowskiten nennt, könnte sich als Schlüssel zur Erreichung dieses Ziels erweisen.
