Solceller Teknikbevakning 2004

Solceller Teknikbevakning 2004 En rapport av teknikutveckling och väsentliga händelser inom solcellsområdet under 2003-2004. 2004-06-29 Lars Stolt Solibro AB Travvägen 10 A 756 51 UPPSALA Denna rapport är utförd som en del av det Elforsk AB koordinerade projektet SolEl 03-07

Inledning Denna rapport har gjorts på uppdrag från det Elforsk AB kooordinerade projektet SolEl 03-07. Den är en sammanfattning av teknikläget för solceller och solcellsmoduler utgående från vad som publicerats under första halvåret 2004, samt beskriver kortfattat vad författaren bedömer som de viktigaste händelserna för utvecklingen av solcellstekniken marknadsmässigt, industriellt och politiskt. Sammanfattning Den totala försäljningen av solcellsmoduler under 2003 uppgick till 750 MW. Det innebar en ökning från 2002 med 34 %. Det är ett visst avtagande jämfört med året innan då tillväxten var 40 %. Osäkerheten med de tyska subventionerna bidrog säkert till detta och nu när den tyska så kallade feed-in law är klar går solcellsproduktionen för högtryck. Feed-in law innebär att den som säljer solel till det tyska elnätet får en ersättning på 0,5-0,6 /kwh vilket gör solcellsanläggningar lönsamma. Den största marknaden är dock Japan där 50 000 solcellsanläggningar installerades under 2003. Subventionerna begränsas där till ca 10 % investeringsstöd. Den japanska solcellsindustrin tillverkade ca 50 % av världens moduler 2003. Sharp är i särklass störst med årsproduktionen 200 MW. Kristallint kisel är den teknik som dominerar fullständigt, endast ett företag som tillverkar tunnfilmssolceller finns med bland de 14 som leverade mer än 10 MW under fjolåret på fjortonde plats. I USA har andelen av solcellsproduktionen sjunkit till 13 % vilket motsvarar ungefär hälften av Europas. När det gäller kiselsolceller fortgår trenden mot högre verkningsgrader och tunnare kiselskivor. Kostnadsreduktionerna har under en lång följd av år varit betydande och beskrivs av en lärkurva med 20 % kostnadsreduktion för varje fördubbling av den kumulativa produktionen. Bedömningen är att minskningstakten kommer att avta något de närmaste åren. Tillgången på rent kisel som utgångsmaterial för kiselcelltillverkningen blir allt mer begränsande men ännu har ej någon effekt på solcellspriset noterats. En sådan effekt kommer sannolikt, men bedöms bli av övergående karaktär. Kiselbaserade tunnfilmssolceller av ny typ har ännu ej marknadsintroducerats. De amorft kisel moduler som finns har 6 % verkningsgrad. Marknadsandelen har snarast sjunkit något. Ett viktigt steg framåt inom detta teknikområde är att flera tillverkare av vakuumutrustning har utvecklat och saluför dedicerad utrustning för solcellsproduktion. Den industriella utvecklingen av CIGS-tekniken går starkt framåt. Samtliga aktörer i fronten uppnår 11-12 % medelverkningsgrad för modulerna och championmoduler på drygt 13 %. Modulerna passerar de klimattester som används för att testa hållbarhet i drift. Tekniken fungerar alltså väl men det återstår att demonstrera att låga tillverkningskostnader kan uppnås. I Sverige har avknoppningsföretaget Solibro AB kommit igång. Steg ett är att skala upp CIGS-processen till 60x120 cm 2 substratstorlek. 2

Marknadsutvecklingen Den totala försäljningen av solcellsmoduler 2003 ökade med 34 % från 560 MW till 750 MW. Det innebar att ökningen blev något lägre än de 40 % marknaden ökade med från 2001 till 2002. Till viss del beror den minskade ökningstakten på osäkerheten med förnyelsen av det tyska subventionsprogrammet under 2003. Den osäkerheten har nu förbytts i en kraftigt ökande marknad som förväntas bestå åtminstone under 2005. Den nya lagstiftningen i Tyskland, feed-in law, innebär att man har rätt att sälja solel till det tyska elnätet och få en lagstadgad ersättning som gäller 20 år framåt. Det innebär att den som investerar i en solcellsanläggning vet ganska väl vilka intäkter som kan förväntas och risken blir låg. Ersättningen, som framgår av Tabell 1, beror på typ av solcellsanläggning och är vald så att investeringen skall löna sig om anläggningen hålls i drift 15-20 år. För anläggningar som tas i drift längre fram i tiden avser man att succesivt sänka ersättningen för att på så sätt anpassa den till en sänkt kostnadsnivå. Tabell 1. Feed-in tariffs enligt det tyska lagförslaget för 2004. Feed-in tariff levels (euro cents/ kwh) Outvecklat område 45,7 Takanläggning < 30 kw 57,4 Takanläggning, del av system > 30 kw 54,6 Takanläggning, del av system > 100 kw 54,0 Fasadanläggning < 30 kw 62,4 Fasadanläggning, del av system > 30 kw 59,6 Fasadanläggning, del av system > 100 kw 59,0 Det finansiella direkta marknadsstödet är betydligt svagare i Japan. Där subventionerar man installationskostnaden med mindre än 10 %. Trots den låga subventionen installerades ca 50 000 anläggningar omfattande 222 MW under 2003. Den kumulativt installerade effekten var vid slutet av 2003 860 MW och man är på god väg mot målsättningen för år 2010 på 4 820 MW. I Tyskland var den kumulativt installerade effekten 400 MW vid utgången av 2003. Solcellsindustrin Sharp har kraftigt stärkt sin dominans 2003 och har nu en marknadsandel på drygt 26 %. Hur dominant man är framgår tydligt i Figur 1 där de företag som levererade mer än 10 MW under 2003 finns representerade. Endast ett företag som tillverkar tunnfilmssolceller finns med bland dessa, japanska Kaneka. Överhuvudtaget är den japanska dominansen påtaglig som framgår av diagrammet i Figur 2. Jämför man den japanska och den tyska solcellsindustrin ser man att i Tyskland är produktionen av solceller icke inkapslade enskilda kiselceller större än produktionen av solcellsmoduler, medan det i Japan förhåller sig tvärtom. Det betyder att Japan måste importera kiselceller till en mindre del av sin modulproduktion. Tyskland däremot exporterar celler, till exempel till de 3

svenska solcellsmodultillverkarna. Jämför man tillväxttakten i Tyskland och Japan ser man att den är högre i Tyskland där cellproduktionen ökat ca 100 % vart och ett av de senaste två åren. Sammanlagd har också Europa ökat sin marknadsandel, liksom Japan och Australien, framför allt på bekostnad av USA. Japan s produktion växer dock snabbare än Europas vilket lett till oro hos den europeiska solcellsindustrin. Intresseorganisationen EPIA (European Photovoltaics Industries Association) argumenterar för införandet av den tyska modellen med så kallad feed-in law i flera europeiska länder för att öka den europeiska marknaden. Det skulle ge de europeiska solcellstillverkarna en bättre hemmamarknad och därmed tillväxtmöjligheter. 250 200 150 100 50 0 Sharp BP Solar Kyocera Shell Solar Mitsubishi Elec... Sanyo Q-Cells RWE Schott Solar Isofoton Motech Deutsche Cell Astropower Photowatt Kaneka Figur 1. Företag och levererad mängd solceller/moduler uttryckt i MW toppeffekt år 2003 för de största solcellsföretagen. 4% 3% Japan 27% 50% Australien USA Europa Övriga Asien 13% 3% Indien Figur 2. Fördelningen av levererade solcellsmoduler 2003 på ursprungsländer och kontinenter. USA har, från att ha varit det ledande solcellslandet för ett antal år sedan, fallit ner långt efter Japan och produktionen motsvarar hälften av Europas. Den amerikanska industrin har haft en svag utveckling men en ny mycket stark spelare har just kommit in på plan. Det är General 4

Electric som köpt Astropower efter att det kommit på obestånd. Det skall bli spännande att se vad GE kommer att åstadkomma de närmaste åren. Olika solcellstekniker Kristallint kisel De kraftiga tillväxten framför allt på den tyska och japanska marknaden har lett till betydande investeringar i produktionsteknik för solcellsmoduler baserade på kristallint kisel. Det resulterar i fortsatta kostnadsminskningar och ytterligare förstärkt marknadsdominans. 100 Modulpris [ /W] 10 1 1 10 100 1000 10000 100000 Kumulativ produktion [MW] Figur 3. Lärkurva för utvecklingen av pris/kostnad för solcellsmoduler baserade på kristallint kisel. Pris/kostnadsutvecklingen för kristallint kisel beskrivs med en lärkurva som hittills visat 20 % kostnads/prisreduktion för varje fördubbling av den kumulativa produktionen, se Figur 3. Det diskuteras huruvida detta kan fortsätta och att prisreduktionstakten kommer att sjunka ner mot 15 %. I utvecklingen mot lägre produktionskostnad kan flera trender urskiljas: Övergång mot multi-kristallina i stället för mono-kristallina kisel-wafers. Strävan mot högre verkningsgrader. SunPower Corporation har marknadsintroducerat moduler med 17 % modul verkningsgrad. Dessa är dock betydligt dyrare än standardmoduler som har 12-13 % verkningsgrad. Utveckling mot tunnare kiselskivor. Fortfarande är tillgången på rent billigt kisel ett överhängande problem. Med de senaste årens snabba tillväxt så har man nu nått taket för tillgången på kasserat material från elektronikindustrin. Problemet har lindrats genom att kiseltillverkare har ställt om en del av produktionen till solcellskisel eftersom efterfrågan varit låg från elektronikindustrin. Nu tar dock elektronikindustrin fart och det blir lönsammare att producera elektronikkisel. Min bedömning av vad som kommer att hända är att vi under en övergångsperiod kommer att se en viss höjning av priset på kisel för solceller men att det inom några år kommer igång dedicerad produktion av 5

solcellskisel och priset åter kommer att närma sig dagens nivå. Det betyder att bristen på solcellskisel knappast kommer att orsaka någon dramatisk prishöjning. En annan intressant trend, om än försiktig, är mycket långa livslängder hos solcellsmoduler. En styrka hos kristallint kisel tekniken är den goda långtidsstabiliteten. Livslängden idag begränsas knappast av själva cellerna utan av inkapsling och elektrisk sammankoppling. Det finns därför goda möjligheter att ytterligare förbättra den förväntade livslängden. En modullivslängd på 35 år har satts som milstolpe år 2010 i EPIA:s Roadmap. Tunnfilmskisel Det mest intressanta industriella projektet inom tunnfilmskisel har varit företaget Pacific Solar i Australien. Right Livelyhood-pristagaren professor Martin Green, från University of New South Wales, är en av nyckelpersonerna bakom företaget. Pacific Solar bildades 1995 och planen var att utveckla produktionsteknik för solcellsmoduler av tunnfilmskisel och komma igång med produktion från en kommersiell fabrik med årliga kapaciteten 20 MW i slutet av 2000. De tekniska svårigheterna har varit betydande och det bästa resultatet hitintills är 8,2 % verkningsgrad för en 30x40 cm 2 modul. Pacific Solar fick under 2002 problem med finansieringen efter att man inte lyckats uppfylla målsättningarna. Utvecklingsavdelningen lades ner i väntan på en lösning. Nu har en omorganisation skett och nya investerare kommit in i bilden. Ett nytt företag, CSG Solar (Crystalline Silicon on Glass), har bildats och Pacific Solar har upphört att existera. CSG Solar planerar att bygga upp produktion i staden Thalheim i Tyskland och ha F&U i Sydney, Australien. Målet är i en första fas att erhålla en reproducerbar verkningsgrad på 8 % över 0,7 m 2 modulyta. I en nästa fas planerar man att bygga upp en produktionsenhet med kapaciteten 12 MW/år. Kalkylerad produktionskostnad för en produktion av 20-30 MW/år i Tyskland är 124 /m 2 vilket motsvarar 1,5 /W för 8 % verkningsgrad. De företag som investerar i CSG är Q-Cells, Renewable Energy Corporation (REC), IBG och ibvogt. Intressant är att den norska solcellskoncernen REC som är en av de största leverantörerna av kiselskivor till konventionella solcellsmoduler är med, liksom Q-cells som är den största tillverkaren av kiselceller (ej moduler) och tillika en av REC s största kunder. IBG är en lokal investeringsfond och ibvogt ska bygga fabriken. Ett antal av de tidigare anställda i Pacific Solar är också ägare av CSG Solar. Amorft kisel Prestandamässigt har inga betydande framsteg gjorts inom området tunnfilmsmoduler baserade på amorft kisel och/eller mikro-kristallint kisel. Fortfarande finns inga produkter med celltypen som kallas Micromorph, det vill säga tandem a-si/µc-si celler. Med den tekniken finns möjligheter att nå 10 % nivån för stabiliserad modulverkningsgrad vilket inte lyckats med olika amorft-kiselstrukturer. Flaskhalsen för a-si och µc-si är den låga tillväxttakten vilket innebär att det tar relativt lång tid att deponera de aktiva tunnfilmsskikten även om de är tunna. Det gör det svårt att få ner produktionskostnaden speciellt som verkningsgraden är relativt låg. En intressant utveckling har dock skett på utrustningssidan i och med att flera leverantörer finns för produktionsutrustning. 6

Det är delvis en spin-off från den snabba utvecklingen av plana bildskärmar som använder liknande teknik. Två stora tillverkare av vakuumutrustning erbjuder nu produktionsmaskiner för amorft kisel, nämligen Unaxis och Applied Films. Unaxis erbjuder dessutom nyckelfärdiga kompletta produktionsenheter. En produktionslinje för amorfa kiselmoduler med årlig kapacitet på 20 MW/år kostar 40 miljoner USD: De största tillverkarna av solcellsmoduler av amorft kisel typ är idag Kaneka och United Solar Ovonic. De levererade 13,5 respektive 7 MW år 2003. Modulverkningsgraden för deras produkter är runt 6 %. CdTe Med CdTe kan man nå hög verkningsgrad (16,5 % för laboratorieceller), hög potentiell produktivitet, och i huvudsak kan relativt robusta tillverkningsprocesser användas. De produkter som finns på marknaden har dock relativt låg verkningsgrad, 7-8 %. I Europa kom företaget Antec igång med produktion av CdTe-moduler under 2002. Delvis på grund av en del kostsamma förseningar med produktionsstarten gick Antec i konkurs i augusti samma år. Under 2003 startades produktionen åter efter att företaget fått nya ägare. Nu körs produktionen med kapaciteten 5 MW/år vilket innebär 2000 moduler per vecka och man hävdar att man säljer alla moduler som tillverkas. Denna fråga är relevant eftersom marknadens acceptans av solcellsmoduler innehållande kadmium ej är självklar. Priset är så lågt som 2-2,5 /W vid volymer på 100 kw. Det finns anledning att påpeka att kapitalkostnaderna i produktionen ej är så stora eftersom de nya ägarna köpte fabriken till en tiondel, eller mindre, av den ursprungliga investeringskostnaden. Energiåterbetalningstiden för Antec:s moduler anges till 12 månader. Det amerikanska företaget First Solar är den andra av de två industriella aktiviteterna inom CdTesområdet. First Solar producerar några MW/år. CIGS Shell Solar och Würth Solar producerar och säljer idag solcellsmoduler av tunnfilmsstyp baserade på CIGS. Goda resultat rapporteras från deras pilotfabriker. Würth anger ett tillverkningsutbyte på 85 % och en medelverkningsgrad för standardmoduler på 11,5 %. Deras championmodul har 13 % verkningsgrad. Det har tagit dem 3 år att nå dit sedan starten 2001, och man ser goda möjligheter att nå till 14-15 % före 2010. Würth rapporterar också att man passerar samtliga certifieringstester som är aktuella för solcellsmoduler. Idag producerar Würth motsvarande 1,3 MW/år och beslut skall tas under 2005 om att bygga ut kapaciteten till 10-15 MW/år. Det kräver nyinvesteringar om 50 M men redan nu har man beställt ytterligare en maskin för CIGSskiktet med substratbredden 120 cm. Shell Solar har producerat och sålt CIGS-moduler sedan 1998 från sin tillverkning i Kalifornien men har parallellt utvecklat en förbättrad processteknik i München. Resultaten från den tyska pilottillverkningen är 11,6 % medelverkningsgrad med en champion på 13,1 %. Man meddelar också att klimattesterna passeras med sina CIGS moduler även utan ram. Produktionen i Kalifornien är på ett par MW/år. 7

Även det japanska industriella CIGS-projektet, Showa-Shell, uppvisar motsvarande goda resultat. Till skillnand från Shell Solar och Würth så har man en helt Cd-fri teknik. Showa-Shells champion-modul har 13,2 % verkningsgrad och man har fått 11,2 % i medel i testkörningar som omfattat hundratalet moduler. Även Showa-Shell rapporterar att man klarar klimattestningen. Samtliga dessa CIGS-aktörer rapporterade också att CIGS-moduler i fält har bättre elproduktion är motsvarande kiselmoduler. Detta tar sig uttryck i bättre så kallat performance ratio, dvs andelen procucerad el i förhållande till installerad effekt och faktisk solinstrålning. I praktiken innebär det att man får ut mer solel ur en anläggning med CIGS-moduler med samma märkeffekt som en anläggning med kiselmoduler. Det beror på en lägre temperaturkoefficient och att verkningsgraden sjunker mindre när ljusintensiteten sjunker. Läget för Ångström Solar Center (ÅSC) är att mikropilotlinan är igång. I den tillverkas moduler med storleken 12,5x12,5 cm 2. Championresultatet är 13,2 % verkningsgrad. Endast ett fåtal moduler har tillverkats hittills. ÅSC:s CIGS process är relativt snabb, skiktet tillväxer på 15 minuter, vilket medger låg kapitalkostnad för detta tillverkningssteg. Forskningsresultaten från ÅSC tas vidare av avknoppningföretaget Solibro AB som nu startat sin verksamhet. För närvarande inväntas utrustning för uppskalning av CIGS-processen till 60x120 cm 2 modulstorlek. Franska EDF har också satsat i ett CIGS projekt. Till skillnad från övriga aktörer har man valt elektrodeponering som teknik för beläggning av CIGS-skiktet. Metoden är potentiellt billig men ger betydligt lägre verkningsgrad. Ett 40-tal personer jobbar i projektet. CuInS 2 CuInS 2 går att använda till solceller på i stort sett samma sätt som CIGS. Verkningsgraden som uppnåtts är lägre vilket gjort att materialet inte är lika intressant kommersiellt. Ett start-up företag som satsat på en industriell utveckling av tunnfilmssolceller baserade på CuInSe 2 finns dock. Den grundläggande utvecklingen har skett vid Hahn-Meitner Institut i Berlin (HMI). Företaget heter Sulfurcell Solartechnik GmbH och målsättningen är att ha en pilotproduktionslinje med kapaciteten 1,5 MW/år i drift 2006. Budgeten är på 15,6 millioner euro, och investerarna är bl a Jenoptik, Vattenfall Europe Venture, Gaz de France. Man går direkt på full skale-moduler, 65x125 cm 2. Utrustningen är designad för 20 000 m 2 /år, vilket innebär 8,5 % verkningsgrad och 85 % tillverkningsutbyte för att erhålla den planerade kapaciteten på 1,5 MW/år. Med en uppskalning av pilot-produktionen till 5 MW/år kalkyleras en total tillverkningskostnad av 1,50 /W, varav 1,09 utgör materialkostnader. Genom att bygga ut produktionen till 20 MW/år skulle man kunna komma ner till 1,10 /W. Det är intressant att notera att produktionskostnader klart under den för kristallint kisel uppnås med relativt låga produktionskapaciteter. Med tanke på att ingående material och tillverkningsmetoder skiljer sig endast marginellt från CIGS så tyder detta på att CIGS med sin betydligt högre verkningsgrad skulle kunna komma ner mot 1 /W redan vid 5 MW kapacitet och klart under vid 20 MW/år. 8