Notat om globale tendenser og perspektiver i solcelle F&U (&D)

Transkript

1 Notat om globale tendenser og perspektiver i solcelle F&U (&D) Kilde: NREL, USA Solceller F&U, Vers PA Energy Ltd.

2 Indholdsfortegnelse 1. Introduktion Globale tendenser Krystallinsk Si teknologi a Fremstilling af Si b Rensning af Si c Krystalvækst d Savning e Cellefremstilling d Modulfremstilling Tyndfilmsteknologier a Amorft/micromoft Si b CdTe c CIS/CIGS Mulige flaskehalse Nye solcelleteknologier Tendenser i EU USA Japan Resten af verden (ROW) Perspektiver Forside billedet illustrerer udviklingen i den bedste effektivitit for forskellige solcelletyper på laboratorieniveau, d.v.s. før industriel produktion. Kilde: New and Renewable Energy Laboratory (NREL), Golden, Colorado, USA. Solceller F&U, Vers PA Energy Ltd.

3 1. Introduktion Princippet i en solcelle (eng.: photo-voltaic (PV)), hvor en del af lysets energiindhold omsættes direkte til elektricitet, blev beskrevet allerede sidst i 1800-tallet, men først i blev de første solceller udviklet m.h.p. el-produktion til satellitter. Siden er udviklingen gået stærkt og i 2007 blev der globalt produceret 4 GW solcellemoduler til anvendelse på jorden og solcellesektoren skønnes ligeledes i 2007 at repræsentere en forretningsmæssig værdi svarende til miliarder. Den årlige markedsvækst har siden 2000 været godt 40 % i gennemsnit og i de seneste år godt 60 %, og denne vækst synes at fortsætte i hvert fald i de nærmeste år. En sådan udvikling forudsætter en massiv F&U indsats, og globale tendenser og perspektiver i denne indsats, som primært foregår i tre kraftcentre: Europa USA og Japan, vil blive forsøgt beskrevet i det følgende. 2. Globale tendenser 2.1 Krystallinsk Si teknologi Solcellemoduler baseret på krystallinske Si celler fremstilles i seks hovedtrin: (a) fremstilling af Si, (b) rensning af Si, (c) krystalvækst, (d) savning af skive (wafer), (e) cellefremstilling og (f) modulfremstilling. Alle trin er for så vidt prioriterede F&U områder m.h.p. at opnå et forbedret pris/ydelses forhold, og de vigtigste indsatsområder er kort kommenteret i det følgende. 2.1.a Fremstilling af Si Si som grundstof findes i store mængder i naturen som SiO 2. Si produceres industrielt af et meget begrænset antal producenter globalt i 2007 blev der produceret ca tons. Fremstillingsprocesserne er meget energikrævende, og foregår ved temperaturer op til 2000 C. Der forskes primært i at finde nye fremstillingsmetoder med reduceret energiforbrug. 2.1.b Rensning af Si For at Si kan anvendes til halvledere eller solceller kræves en meget høj grad af renhed. Si til halvlederproduktion skal typisk have en renhed på 99, % (10N); til solceller kræves typisk 6N-8N rent Si, hvilket kræver komplicerede og kostbare produktionsanlæg. Der forskes i billigere metoder til rensning og i mere effektiv opgradering af Si 5N (metallurgical grade Si). 2.1.c Krystalvækst Til solceller anvendes mono-krystallinsk og poly-krystallinsk Si. Mono-krystallinsk Si, som indebærer de højeste effektiviteter, dyrkes normalt efter Choralsky metoden ved høje temperaturer. Processen er energikrævende, langsommelig og kostbar. Poly-krystallinsk Si lader sig støbe i større blokke og er noget billigere at producere, men effektiviteten af den Solceller F&U, Vers PA Energy Ltd.

4 færdige solceller er typisk % mod mono-krystallinske cellers 15-22%. Der forskes i nye krystalliseringsmetoder, som kan gennemføres kontinuerligt og som kræver mindre kompliceret produktionsudstyr. 2.1.d Savning Mono-krystallinsk Si fremtræder som runde cylindre. For at opnå en god pakketæthed af de færdige solceller tilskæres cylindrene til kvadratiske stave en proces der er tidskrævende og som indebærer materialetab. Poly-krystallinsk Si støbes i relativt store blokke, som igen skæres ud i kvadratiske stave. Skiven (wafer), som solcellen opbygges på, skæres ud af de kvadratiske stave i en tykkelse på 0,3 0,4 mm. Igen indebærer savningsprocessen et højt tidsforbrug og et stort materialespild. Der anvendes typisk 10 gram Si per Watt solcelleeffekt. Der forskes primært i at nedbringe skivetykkelsen til 0,1 0,2 mm for at reducere materialeforbrug og teoretiske udredninger viser at man måske kan reducere materialetforbruget fra nu 10 gram til 2 gram per Watt. 2.1.e Cellefremstilling Skiven gennemgår en række rensnings- og dopningsprocesser samt overfladebehandling og kontaktering, hvilket i dag i vid udstrækning er automatiseret. De stadigt tyndere skiver stiller større og større krav til den automatiske produktionslinie for at kunne holde kassationsprocenten i skak. Der forskes i optimerede produktionslinier, i ensartet produktion og i metoder til at øge solcellernes effektivitet. 2.1.d Modulfremstilling Efter en sortering samles cellerne i serie- og parallelforbindelser til den ønskede elektriske kapacitet, og cellernes indbages i et laminat med en transparent forside, normalt glas. Laminatet forsynes med el-tilslutning og eventuelt med en ramme af metal eller plast, og modulet er færdigt. Der forskes i at nedbringe materialeforbruget til modulfremstillingen og i at opnå mere kontinuerlige produktionsforløb. Siger man at den totale fremstillingspris for et Si solcellemodul er 1, vil processerne udgøre: - Si + rensning: 0,2 - Savning: 0,2 - Cellen: 0,3 - Modulet: 0,3 2.2 Tyndfilmsteknologier Der er p.t. tre hovedtyper af tyndfilmssolceller: (a) amorft/micromorft Si, (b) CdTe, og (c) CIS/CIGS. Fremstillingsprocesserne er overordentlig højteknologiske og komplicerede og industriel masseproduktion magtes endnu kun af relativt få virksomheder, omend mange nye virksomheder de sidste år har meldt sig som (mulige) producenter. Det har vist sig at tage 20 Solceller F&U, Vers PA Energy Ltd.

5 år eller mere at gå fra laboratoriefremstilling til industriel produktion. Forbruget af aktivt materiale er langt ringere end for krystallinske typer, d.v.s 1 % eller mindre. 2.2.a Amorft/micromoft Si Denne kategori af tyndfilmssolceller udgjorde i 2007 godt ¾ af den samlede tyndfilmsproduktion. Den foretrukne produktionsmetode kaldes PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition), hvor gasformig Si ved relativt lave temperaturer ( C) deponeres på glas eller andre velegnede substrater. Der forskes her primært i at opnå højere virkningsgrader, d.v.s. stabiliseret virkningsgrad > 10 %. 2.2.b CdTe Tyndfilmssolceller af Cadmium-Tellur (CdTe) har p.t. de højeste virkningsgrader i tyndfilmsfamilien på omkring % på modulniveau og udviser samtidig de laveste produktionspriser, f.eks. oplyser First Solar USA en produktionstid på 2,5 time fra rent glas til færdigt solcellemodul. På visse markeder, bl.a. Japan, har det vist sig umuligt at sælge CdTe moduler p.g.a. frygt for udslip af Cadmium. Der er tre forskellige produktionsmetoder, electrochemical deposition, sintring af en pasta samt mest almindeligt thermal vaporisation ved en temperatur på omkring 650 C. Potentialet for prisreduktion anses fortsat for stort, og der forskes i at optimere produktionsprocessen med henblik herpå. 2.2.c CIS/CIGS Tyndfilmssolceller af CIS/CIGS ( copper indium diselenide / copper indium gallium diselenide ) fremstilles på to forksellige måder: co-vaporisation, hvor alle CIS elementer fordampes på samme tid ved høj temperatur, eller cathode sputtering af alle elementer efterfulgt af en højtryks- og bageproces i en speciel atmosfære, hvorved det solcelle-aktive materiale udkrystalliseres og aktiveres. CIS/CIGS har vist potentiale for effektiviteter over 20 %, og der forskes primært i at forøge effektiviteten fra det nuværende typiske %. 2.3 Mulige flaskehalse Si har siden 2006 udgjort en flaskhals for solcellesektoren, og det har bl.a. medført meget høje priser på Si til solceller. Denne prisstigning har dels accelereret forskning i at nedbringe forbruget af Si, dels forskning i de forskellige tyndfilmsteknologier. Prisstigningen har også resulteret i en voldsom udbygning af produktionskapaciteten for Si, og i løbet af 2009 forventes der markante prisfald på Si som følge af større udbud. Grafit anvendes som varmeisolator i de kedler, der anvendes til fremstilling og rensning af Si p.g.a. de høje temperature. Grafit (ISO graphite) fremstilles kun i mindre mængder, og der kan være risiko for at der opstår mangel på dette materiale. Der indgår i solcellefremstilling ofte (begrænset) brug af sjældne grundstoffer, og fremskrivning af solcellemarkedet til 2030 og senere indikerer, at der kan opstå flaskehalse omkring adgang til disse grundstoffer, som typisk også anvendes til fremstilling af fladskærme og elektronik komponenter. Solceller F&U, Vers PA Energy Ltd.

6 Glas (specielt glas med høj lysgennemgang) udgør et væsentligt element i de fleste solcellemoduler enten som frontglas eller som substrat. Til fremstilling af den globale solcellemodulproduktion i 2007 på omkring 4 GW skønnes der medgået omkring tons glas. Når det årlige globale solcellemarked passerer GW vil behovet for glas blive væsentlig i forhold til den nuværende globale glasproduktion, og der kan blive risiko for en flaskehals. 2.4 Nye solcelleteknologier Udover ovennævnte første (krystallinsk Si) og anden (tyndfilm) generationsteknologier taler man om ikke kommercielle tredje generationsteknologier omfattende bl.a. høj effektive stakkede eller fler-junction tyndfilmsceller, hvor to eller flere individuelle solceller, der udnytter hver sin del af sollysets spektrum, kombineres med meget høj effektivitet til følge helt op til mere end 40 % ved samtidig optisk koncentration af sollyset. Denne type meget kostbare celler anvendes til satelliter og forsøgsvis til koncentrator solcelle anlæg (Concentrating PV, CPV) i områder med meget høj direkte solindstråling. Tredje generations teknologier omfatter også de såkaldte organiske celler (PhotoElectroChemical PEC) og polymere celler, som der bl.a. forskes i ved Teknologisk Institut og Risø-DTU. Potentialet er en meget lav pris, men indtil videre kæmpes der mod lav effektivitet og kort levetid. Endelig kan man nævne fjerde generationsteknolgier, som endnu kun er i idéfasen, f. eks. anvendelse af nano-strukturer til optimering af solceller, materialer der giver full spectrum omsættelse af sollyset til elektricitet, solcellekonstruktioner der også kan udnytte infrarødt lys og solceller der imiterer planternes fotosyntese. I fagtidsskrifter rapporteres der relativ ofte om nye gennembrud, men som dette notats forsidebillede viser synes der ikke endnu at have været tale om praktisk anvendelige gennembrud. En tommelfingerregel i solcelleudvikling har været, at der går ca. 20 år fra et succesrigt laboratorie produkt til et industrielt produkt, hvis ikke denne transformering opgives undervejs hvad der er det normale. På den anden side er solcellesektoren nu blevet så stor, at den selvstændigt kan gennemføre fundamental F&U, og det kan måske føre til en acceleret udviklingsproces fra laboratoriet til industri. 3. Tendenser i EU Indtil for relativt nylig har F&U indsatsen på solcelleområdet været fragmenteret og præget af individuelle programmer og nationale prioriteter, men efter 2005 er indsatsen langt mere koordineret som beskrevet i det følgende. Kommissionen har store forventninger til solcellerne som både et væsentligt element i en fremtidig el-forsyning og også som en industriel sektor med højt eksportpotentiale og gode jobskabelsesmuligheder. Solcelleteknologi er derfor højt prioriteret og indgår som et ude af i alt 8 indsatsområder i Kommissionens Strategic Energy Technology (SET) Plan. Der er etableret en PV Technology Platform, hvor EU s solcelleindustri indtager en væsentlig position, og der er udarbejdet A Strategic Research Agenda (SRA) for PV Technology frem til 2030 og længere. Solceller F&U, Vers PA Energy Ltd.

7 Kommissionen har siden 1970 erne investeret væsentligt i F&U indenfor solcelleområdet. Dette skønnes dog kun at udgøre ¼ af EU medlemslandenes tilsvarende nationale F&U indsats. I 2005 blev der med støtte fra Kommissionen etableret European Research Area (ERA) projektet PV-ERANet, hvor 16 medlemslande, inlusiv Danmark, og regioner samarbejder om at koordinere F&U indsatsen på solcelleområdet; dette har bl.a. i 2008 resulteret i et såkaldt Joint Call for Proposals, hvor seks nationer, inklusiv Danmark, er gået sammen om et fælles F&U udbud. SRA, som p.t. er under udmøntning i en egentlig F&U plan, specificerer en bred F&U indsats på næsten samtlige solcelleområder: krystallinsk Si, eksisterende tyndfilm, nye tyndfilm, koncentrator teknologier, solcelleteknologi udover celler/moduler (balance of system BOS), standarder & kvalitets sikring & miljøpåvirkning & sikkerhed samt socio-økonomiske forhold. For hvert område opstiller SRA relativt detaljerede og kvantifcerede mål på kort sigt ( ), mellem lang sigt ( ) og lang sigt ( og længere). Den overordnede udviklingstendens er illustreret herunder (today er 2007). 4. USA I USA har industrien har i 2004 udviklet en rodmap frem til 2030; denne roadmap er skitseret herunder. Roadmap en viser den forventede udvikling i samlet installeret mængde solceller og i produktion heraf i to scenarier: business as usual (BAU) og roadmap ens fremskrivning. Med den forventede udvikling i produktionsvolumen forudsættes en høj eksport andel. Roadmap en detaljerer ikke direkte de F&U aktiviteter, der skal danne grund for udviklingen, men der er et Solceller F&U, Vers PA Energy Ltd.

8 grundlæggende fokus på prisreduktioner og industriel udvikling. Department of Energy (DOE) har etableret et Solar Energy Technologies Programme, der i perioden forventer en halvering af prisen på solcelleanlæg. Programmet omfatter F&U aktiviteter rettet mod forbedring af omkostninger, pålidelighed og ydeevne af enheder, komponenter og systemer. DOE har også etableret et Solar Programme med følgende omkostningsmål. I 2007 udviklede DOE sammen med institutioner, universiteter og industrien 10 teknologispecifikke roadmaps frem til 2015 omfattende krystallinsk Si teknologi, tyndfilms teknologier, organiske teknologier og nye teknologier. Et eksempel herpå (krystallinsk Si teknologi er vist herunder. Endelig har USA også sit Solar America Initiative og One Million Roof Program som omtalt i Notat om Solceller. Generelt kan det siges, at USA ikke har nogen samlet overordnet F&U strategi på solcelleområdet, men en række uafhængige programmer og initiativer, der i et vist omfang konkurerer. Endvidere kan det siges at privat kapital i vid udstrækning præger F&U indsatsen enten i form af selvstændige investeringer eller i form af offentlig/private partnerskaber. 5. Japan I Japan har solcelleudviklingen siden begyndelsen af 1990 erne været præget af meget brede men veldefinerede og velkoordinerede indsatser både indenfor F&U men også markedsudvikling og reduktion af ikke-tekniske barrierer. Den overordnede energipolitik er de tre E er : - Security of Japanese Energy Supply (alternativer til olie m.v.) - Economic Efficiency (markeds mekanisme) Solceller F&U, Vers PA Energy Ltd.

9 - Harmony with Environment (Kyoto mål) Den overordnede japanske roadmap for F&U samt omkostningsmål er illustreret herunder. I Japan er NEDO (New Energy Development Organisation) en uafhængig, regeringsejet institution ansvarlig for F&U indendfor vedvarende energi, og solcelleaktiviteterne er koncentreret om tre søjler: - New Energy Technology Developemnt - Introduction and Dissemination of New Energy and Energy Conservation - International Projects. Hver søjle har en detaljeret nedbrydning af specifikke tekniske og tidsmæssige F&U mål. 6. Resten af verden (ROW) Udenfor de tre ovennænvte kraftcentre for F&U indenfor solcelleteknologi fremstår Australien 1 som et eksempel på høj og international anerkendt kompetence i F&U af krystallinsk Si teknologi uden nogen egentlig national forankring eller tilknytning til lokal industri. F&U kompetencen er tilknyttet en forholdsvis begrænset personkreds. 1 University of New South Wales Solceller F&U, Vers PA Energy Ltd.

10 I Korea og Taiwan er der F&U kompetencer under udvikling primært drevet af en stærkt voksende solcelleindustri, men F&U sektoren er stadig i sin vorden. Kina, som har den p.t. hurtigst voksende solcelleindustri, har endnu ikke markeret sig på F&U området, men må siges i vid udstrækning at være afhængig F&U aktiviteter primært i Europa og USA. 7. Perspektiver Solcelleteknologi i bred forstand udgør en potentiel endog meget stor bidragyder til den globale el- og energiforsyning. Energihøsten per arealenhed er for solceller godt 10 %; for anden generations biobrændsler skønnes den at være < 0,5 %. Den forventede udbredelse i EU betinget af grid parity, d.v.s. konkurrencedygtighed med konventionel el, er illustreret ovenfor for 2010, 2015 og 2020, og Danmark forventes at være omfattet i Det forudsætter en omfattende, kontinuerlig og koordineret F&U indsats for at en sådan udvikling kan realiseres. Danmark har måske begrænsede muligheder for at yde en væsentlig F&U indsats på 1. og 2. generations solcelle/-modul teknologierne, men Danmark har stadig gode muligheder for at yde en indsats på 3. generations teknologierne, hvor bl.a. Teknologisk Institut og Forskningscentre Risø har løbende udviklingsaktiviteter, samt på de endnu mest ukendte 4. Generations teknologier eller idéer. Også på kraftelektronikområdet yder Danmark allerede en anerkendt indsats, bl.a. i et sambejde mellem Ålborg Universitet og Danfoss. En fortsat og måske udbygget dansk F&U indsats på solcelleområdet vil være en forudsætning for et aktivt og effektivt dansk industrielt engagement på området, når udviklingen betinger en mere massiv udbygning. Solceller F&U, Vers PA Energy Ltd.