Urządzenia Alta: znalezienie rozwiązania solarnego

Chcąc wejść na wysoce konkurencyjny rynek energii słonecznej, Alta Devices ma nadzieję wykorzystać połączenie postępu technologicznego i umiejętności produkcyjnych, aby odnieść sukces tam, gdzie wiele innych uległo awarii i spaliło się. Za pomocą

• David Rotman strona archiwum

21 lutego 2012 r.

Alta Devices to mały, ale dobrze finansowany startup znajdujący się w tym samym nieokreślonym biurowcu w Dolinie Krzemowej, który niegdyś służył jako siedziba Solyndra, niesławnej firmy solarnej, która zbankrutowała w zeszłym roku po tym, jak spaliła setki milionów dolarów w inwestycje publiczne i venture . To, czy lokalizacja ma złą karmę, nadal nie jest jasne, żartuje dyrektor generalny Alta, Christopher Norris. Ale Norris, były dyrektor wykonawczy w branży półprzewodników i inwestor venture capital, wie, że los jego firmy będzie zależeć od jej zdolności do poruszania się po ryzykownym i kosztownym procesie zwiększania skali swojej nowatorskiej technologii, która jego zdaniem może wytwarzać energię po konkurencyjnych cenach. z elektrowniami na paliwa kopalne i znacznie tańszymi niż dzisiejsze moduły fotowoltaiczne.

Na stole w sali konferencyjnej Alty Norris wykłada próbki ogniw słonecznych firmy, elastyczne czarne łatki zamknięte w przezroczystym plastiku. Wyglądają niepozornie, ale to dlatego, że kluczowy składnik jest prawie niewidoczny: mikroskopijne cienkie płaty arsenku galu. Półprzewodnik jest tak dobry w pochłanianiu światła słonecznego i przekształcaniu go w elektryczność, że jedno z urządzeń Alty, zawierające aktywną warstwę arsenku galu o grubości zaledwie kilku mikrometrów, ustanowiło ostatnio rekord wydajności fotowoltaicznej. Ale arsenek galu jest również niezwykle kosztowny w użyciu w ogniwach słonecznych, a jego cienkie warstwy są zwykle kruche i trudne do wytworzenia. W rzeczywistości innowacje Alty nie polegają na wyborze materiału – półprzewodnik jest od dziesięcioleci używany w ogniwach słonecznych na satelitach i statkach kosmicznych – ale na wymyśleniu, jak przekształcić go w moduły słoneczne wystarczająco tanie, aby były praktyczne w większości zastosowań.

Ta historia była częścią naszego wydania z marca 2012

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Firma, która powstała w 2007 roku, opiera się na pracy dwóch czołowych światowych naukowców akademickich zajmujących się materiałami fotonicznymi. Jeden z nich, Eli Yablonovitch, obecnie profesor elektrotechniki na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley, opracował i opatentował technikę tworzenia ultracienkich warstw arsenku galu w latach 80., kiedy pracował w Bell Communications Research. Drugi, Harry Atwater, profesor fizyki stosowanej i materiałoznawstwa w Caltech, jest pionierem w wykorzystaniu mikrostruktur i nanostruktur do poprawy zdolności materiałów do wychwytywania światła i przekształcania go w elektryczność. Andy Rappaport, inwestor venture capital w August Capital, połączył siły z dwoma naukowcami, aby założyć Altę, rekrutując innego weterana Doliny Krzemowej, Billa Joya, jako inwestora i, wraz z innymi współzałożycielami, budując zespół zarządzający, w skład którego wchodził Norris. Cel: wyprodukować wysokowydajne ogniwa słoneczne i uczynić je tańszymi niż te oparte na istniejącej technologii krzemowej.

W tym momencie wiele firm zajmujących się energią słoneczną poszło nie tak, pospiesznie rozwijając innowacyjną technologię, zanim zrozumie jej wyzwania ekonomiczne i inżynieryjne. Zamiast tego Alta spędziła pierwsze kilka lat w trybie ukrycia, po cichu próbując dowiedzieć się, jak to ujął Norris, czy jej proces wytwarzania ogniw słonecznych z arsenku galu był czymś więcej niż eksperymentem naukowym i może służyć jako realna podstawa do produkcji.

Elastyczna moc: Ogniwa słoneczne Alta można przerobić na giętkie arkusze. W tej próbce szereg ogniw słonecznych jest zamkniętych w materiale dachowym.

Pozostałości eksperymentu naukowego są nadal widoczne w skromnym laboratorium na tyłach biur Alty. Małe ceramiczne garnki stoją na elektrycznych płytach grzejnych – pozostałość wczesnych wysiłków firmy na rzecz optymalizacji techniki epitaksjalnego startu Yablonovitcha, która wykorzystuje kwasy do precyzyjnego oddzielania cienkich warstw arsenku galu od wafli, na których są uprawiane. W innym miejscu laboratorium sprzęt staje się coraz większy i bardziej wyrafinowany, odzwierciedlając wzrost procesu. W pobliżu okna obserwacyjnego, które pozwala potencjalnym inwestorom zajrzeć do laboratorium bez zakładania nakryć do pomieszczeń czystych, jest jednym z klejnotów wysiłków rozwojowych firmy: długi element wyposażenia, w którym partie próbek są przetwarzane w celu wytworzenia cienkowarstwowych ogniw słonecznych . To przekonujący dowód na to, że wczesna praca z garnkami i gorącymi płytami może zostać przekształcona w zautomatyzowany proces zapewniający plony niezbędne do rzeczywistej produkcji.

PODNOSZENIE SŁONECZNE

Kiedy Bill Joy, współzałożyciel Sun Microsystems, a obecnie wiodący inwestor venture capital w Dolinie Krzemowej, po raz pierwszy zobaczył biznesplan dla tego, co stało się Alta Devices, on i jego koledzy z Kleiner Perkins Caufield & Byers szukali już wysokowydajnej cienkowarstwowej fotowoltaiki technologia. Joy prowadzi listę — obecnie składającą się z około 12 do 15 pozycji — pożądanych technologii, które, jak sądzi, ma realną szansę na znalezienie. Ogniwa słoneczne, które są bardzo wydajne w przetwarzaniu światła słonecznego i które można tanio wytwarzać w elastycznych arkuszach, mogą zapewnić sposoby na radykalne obniżenie całkowitych kosztów energii słonecznej. Technologia arsenku galu była naturalnym wyborem ze względu na wydajność, ale ekonomia Alty była tym, co naprawdę interesowało inwestorów. Ich podstawową kompetencją było to, jak sprawić, by było możliwe do wyprodukowania, mówi Joy, która dołączyła do Rappaport jako inwestor w ciągu kilku miesięcy.

Arsenek galu jest niemal idealnym materiałem słonecznym z wielu powodów. Nie tylko pochłania znacznie więcej światła słonecznego niż krzem — jego cienkie warstwy wychwytują tyle fotonów, co krzem 100 razy grubszy — ale jest mniej wrażliwy na ciepło niż krzemowe ogniwa słoneczne, których wydajność dramatycznie spada powyżej 25 °C. Arsenek galu lepiej niż krzem zachowuje swoje zdolności do wytwarzania elektryczności w warunkach stosunkowo słabego oświetlenia, takich jak wczesny poranek lub późne popołudnie.

Kluczem do obniżenia kosztów produkcji jest technika, którą Yablonovitch pomógł rozpracować kilkadziesiąt lat temu. Półprzewodnik można hodować epitaksjalnie: gdy cienkie warstwy są chemicznie osadzane na podłożu z monokrystalicznego arsenku galu, każdy z nich przyjmuje taką samą strukturę monokryształu. Yablonovitch odkrył, że jeśli warstwa arsenku glinu jest umieszczona pomiędzy warstwami, można ją selektywnie zjeść kwasem, a powyższy arsenek galu można oderwać. Był to elegancki i prosty sposób na tworzenie cienkich warstw materiału. Ale proces był również problematyczny: folie monokrystaliczne łatwo pękają i stają się bezwartościowe. Adaptując metodę produkcji Yablonovitcha, naukowcy Alta znaleźli sposoby na tworzenie wytrzymałych folii, które nie są podatne na pękanie. Cienkie warstwy nie tylko zużywają niewiele materiału półprzewodnikowego, ale także cenny substrat z arsenku galu może być wielokrotnie używany, co pomaga uczynić ten proces przystępnym.

Badania przeprowadzone przez naukowców założycieli Alta doprowadziły również do opracowania technik zwiększania wydajności ogniw słonecznych. Fotowoltaika działa, ponieważ fotony, które pochłaniają, zwiększają poziomy energii elektronów w półprzewodniku, uwalniając je do przepływu do metalowych styków i wytworzenia prądu. Ale wędrujące elektrony mogą być marnowane na różne sposoby, na przykład pod wpływem ciepła. Jednak w arsenku galu uwolnione elektrony często łączą się z dodatnio naładowanymi dziurami, aby odtworzyć fotony i rozpocząć proces od nowa. Praca wykonana przez Yablonovitch i Atwater w celu wyjaśnienia tego procesu pomogła Alta zaprojektować komórki w wykorzystaniu tego recyklingu fotonów, dając wiele szans na ponowne wychwycenie fotonów i przekształcenie ich w energię elektryczną.

Tym samym rekord wydajności Alty: jej ogniwa przekształciły 28,3 procent światła słonecznego w energię elektryczną, podczas gdy najwyższa wydajność krzemowego ogniwa słonecznego wynosi 25 procent, a powszechnie stosowane cienkowarstwowe materiały słoneczne nie przekraczają 20 procent. Yablonovitch sugeruje, że Alta ma duże szanse, że ostatecznie przekroczy 30-procentową wydajność i zbliży się do teoretycznej granicy 33,4% dla ogniw tego typu.

Wysoka wydajność w połączeniu ze zdolnością arsenku galu do działania w stosunkowo wysokich temperaturach i przy słabym oświetleniu oznacza, że ​​ogniwa mogą wytworzyć dwa lub trzy razy więcej energii w ciągu roku niż konwencjonalne ogniwa krzemowe, mówi Norris. A to oczywiście przekłada się bezpośrednio na niższe ceny energii słonecznej. Norris mówi, że nie jest nierozsądnym oczekiwaniem, że technologia arsenku galu może przynieść uśredniony koszt energii (powszechnie używany wskaźnik branżowy, który obejmuje koszty eksploatacji budynku i eksploatacji elektrowni) w wysokości siedmiu centów za kilowatogodzinę. Przy takiej cenie, mówi Norris, energia słoneczna byłaby konkurencyjna wobec paliw kopalnych, w tym gazu ziemnego; nowe elektrownie gazowe wytwarzają energię elektryczną za około 10 centów za kilowatogodzinę. I zniszczyłoby dzisiejszą energię słoneczną, której wytworzenie według Norrisa kosztuje około 20 centów za kilowatogodzinę.

Takie liczby są kuszące. Ale Norris szybko mówi o innym: zbudowanie zakładu produkcyjnego zdolnego do wytworzenia wystarczającej liczby modułów słonecznych do wytworzenia gigawata energii, która jest mniej więcej mocą kilku średniej wielkości elektrowni, kosztuje około 1 miliarda dolarów. Nie widzę żadnego scenariusza, w którym zrobilibyśmy to sami, mówi.

DUCH SOLYNDRY

Dolina Krzemowa jest zauroczona czystymi technologiami od połowy 2000 roku, ale jeszcze nie wymyśliła czegoś kluczowego: kto dostarczy wszystkie pieniądze niezbędne do zwiększenia skali technologii energetycznych i zbudowania fabryk do ich produkcji? Inwestorzy wysokiego ryzyka mogą być wykwalifikowani w doborze technologii, ale niewielu z nich ma głębokie kieszenie lub cierpliwość wymaganą do konkurowania w kapitałochłonnym biznesie, takim jak produkcja modułów fotowoltaicznych. Upadek firmy Solyndra, która zbudowała fabrykę o wartości 733 milionów dolarów w Fremont w Kalifornii, to tylko ostatnie przypomnienie tego, co może pójść nie tak.

Główny inwestor Alty, Andy Rappaport, mówi, że zwykle trzyma się z daleka od inwestycji w czyste technologie, w tym fotowoltaikę. Sugeruje, że wielu inwestorów w energię słoneczną postawiło na zakładanie, że startup może obniżyć krańcowe koszty produkcji, a tym samym zdobyć pewien udział w rynku. To przepis na porażkę, mówi, ponieważ trzeba wydać setki milionów na zbudowanie fabryki, zanim się zorientuje się, czy ma się coś wartościowego. Strategia jest teraz szczególnie ryzykowna, ponieważ fotowoltaika staje się coraz bardziej konkurencyjnym towarem, a ceny wciąż gwałtownie spadają, tworząc ruchomy cel dla nowej produkcji. Ale zamiast próbować tworzyć wartość poprzez budowanie zdolności produkcyjnych, mówi Rappaport, Alta może czerpać korzyści ze swojej własności intelektualnej: powiedzieliśmy prosto i konsekwentnie, że możemy szybciej skalować zdolności produkcyjne i zbudować znacznie silniejszą firmę, wykorzystując partnerstwa, a nie zwiększając i wydając nasze własny kapitał na budowę fabryk.

Obecni inwestorzy w Alta to GE, Sumitomo i Dow Chemical, które niedawno wprowadziły gonty dachowe zawierające cienkowarstwowe ogniwa fotowoltaiczne (patrz Czy możemy budować przełomy jutra? Styczeń/luty 2012) . Chociaż firmy te zainwestowały w kilka rund finansowania – Alta do tej pory zebrała 120 milionów dolarów – w końcu Norris chciałby zobaczyć umowy, takie jak umowy licencyjne lub joint venture, w których producenci budują moce produkcyjne do produkcji ogniw słonecznych Alta lub wykorzystują technologię słoneczną w swoich produktach. Aby to zrobić, mówi, Alta musi najpierw wycofać się z ryzyka technologii produkcji, pokazując potencjalnym partnerom, że moduły fotowoltaiczne z arsenku galu mogą być faktycznie produkowane w sposób konkurencyjny ekonomicznie.

Niecałą milę od swojej siedziby Alta patroszy i remontuje budynek, w którym Netflix magazynował DVD, zamieniając go w pilotażowy obiekt o wartości 40 milionów dolarów do testowania swojego sprzętu. Chociaż obiekt jest znacznie mniejszy niż komercyjna fabryka energii słonecznej, nadal nie jest małym ani niedrogim przedsięwzięciem. Norris nieufnie spogląda na nowe kolumny wymagane do wzmocnienia dachu, które będą musiały pomieścić ciężką wentylację i sprzęt do kontroli emisji. Ale dyrektor generalny Alta staje się bardziej optymistyczny, gdy zbliża się do prawie ukończonej tylnej części obiektu. Tam, w kilku białych pomieszczeniach, znajdują się duże, specjalnie zaprojektowane wersje aparatury laboratoryjnej używanej do produkcji ogniw słonecznych.

To, czy Alta odniesie sukces, będzie zależeć głównie od tego, jak dobrze sprawdzą się te wynalazki produkcyjne. Koszt obiektu pilotażowego może blednąć obok ceny za komercyjną fabrykę energii słonecznej, ale nadal jest to kluczowa inwestycja dla startupu. Norris mówi, że chociaż Alta usilnie stara się uruchomić obiekt do końca roku, stosuje przemyślane, metodyczne podejście do procesu zwiększania skali. Kontrastuje to mocno z wcześniejszymi startupami słonecznymi, które wydały setki milionów na inwestycje venture, aby jak najszybciej zbudować fabryki. Ale ostrożnego podejścia Alty nie należy mylić z brakiem ambicji. Celem, mówi Norris, jest uczynienie z tej fundamentalnej, transformacyjnej technologii.

David Rotman jest Przegląd technologii redaktor.

ukryć