Tunnfilmssolceller Idéer och produkter Marika Edoff Uppsala Universitet och Solibro Research AB
30 år av CIGS-verksamhet -grunden INSTITUTET FÖR MIKROELEKTRONIK - KTH, STOCKHOLM Genombrott för tunnfilmssolceller: 16.9 % verkningsgrad uppnådd 1993 första tunnfilmssolcell över drömgränsen 15 % - Världsrekord! Resultatet var ett samarbete inom det Europeiska nätverket EUROCIS, men CIGS-skiktet gjordes I Sverige ÅNGSTRÖM SOLAR CENTER VID UPPSALA UNIVERSITET Fas 1: Grundläggande teknikutveckling Förbättra tillverkningsbarheten, reproducerbarhet i tillverkningsliknande processer, skalningsbarhet, robusthet, Etablerandet av en forskargrupp och lab på överkritisk nivå. Fas 2: Exploatering Ytterligare förbättra koncept för tillverkning och hitta en partner för kommersialisering 1983 1993 1993 1996 FLYTT TILL UPPSALA UNIVERSITET 1996 2005 2006 PILOTLINA ETABLERAS AV AVKNOPPNINGS- BOLAGET SOLIBRO AB (2003) SOLIBRO GMBH GRUNDAS SOM ETT JV MELLAN Q-CELLS OCH SOLIBRO AB
30 år av CIGS-verksamhet -bygget Joint Venture mellan Q-Cells SE och Solibro AB: Byggandet kan börja Första fabriken börjar byggas (25-30MW) Första modulen December 2006 Augusti 2007 April 2008
30 år av CIGS-verksamhet -en riktig fabrik PRODUCTION CAPACITY 45 + 90 MW
Målet Solceller för kostnadseffektiv elproduktion Billig tillverkning Hög verkningsgrad Hög stabilitet och tillförlitlighet Lönsamhet Storskalighet Enkelhet, standardprodukter
Framgången Första fabriken byggd och igång på rekordtid Moduler med hög verkningsgrad tillverkas Bästa modul från tillverkning: 14,7 % Bästa konceptmodul från forskning och utveckling 17,4 % Aperture area efficiency: 14.7% Total area efficiency: 13.4% Storskalighet garanteras genom det nya fabriksbygget som startas snabbt Certifiering av produkter ok Effektiv kunskapsöverföring och problemlösning från forskningsföretaget Solibro Research i Uppsala
Men vad hände i Världen???
1993 Solcellsmoduler som finns att köpa Monokristallint kisel Multikristallint kisel Amorft kisel (främst konsumentprodukter) Modulkostnaden minst hälften av totalkostnaden Marknaden är liten, vinsterna är små Solceller är en lovande teknik för framtiden 25 MWt installerades (i världen) Ringen, Stockholm Installerad effekt 10 kw Installationsår: 1993 Kostnad 95 kr/wt (1993 års penningvärde) Modulkostnad hälften av systemkostnaden
2013 Solcellsmoduler som finns att köpa Monokristallint kisel Multikristallint kisel tunnfilmskisel CdTe CIGS Pris: 20 kr/wt installerat och klart Modulkostnaden 1/3 av kostnaden för systemet Verkningsgrader Monokristallin kiselmodul: 20% Bästa CIGS-modul: 16 % Bästa CdTe-modul: 16 % Marknaden är stor (cirka 30 GWt), men vinsterna är små Solceller är en etablerad teknik i många länder Takanläggningen på Ångström-laboratoriet
Hinder på vägen mot etablerad produkt Ej först, men bland de första att tekniskt lyckas oprövad produkt fel spänning kringkomponenter utvecklade för Si-moduler med låg spänning och hög ström Si-utvecklingen gör att Si-moduler faller kraftigt i pris Kina, Taiwan, Singapore och Malaysia, nya stora spelare Marknaden inte längre omättlig Marknaden inte längre sund (få om ens några företag redovisar vinst)
Vad behövs för att lyckas i framtiden? En svensk hemmamarknad Som tillåts växa (inget tak ) Med rimlig ersättning för överproducerad el (öppnar för privata initiativ) Stöd för utbyggnad av svaga nät vid behov (det är långt dit) Dagens svenska marknad (2012): 8,3 MW t 20 kr/w t ger 166 MSEK totalt Jämför med Solibros första lilla fabrik på 30 MW t / år Ej tillräckligt för svensk hemmatillverkning 10 TWh (10 % av svensk el) motsvarar 10 GW t. Det finns förutsättningar!
En bärande idé! Vad är målet? Storskalig tillverkning av moduler med etablerad teknik? Högre verkningsgrad (rakaste vägen till högre lönsamhet) Minskat transportbehov till svensk hemmamarknad Nära kontakt mellan producent och marknad - förtroende Storskalig tillverkning av moduler av ett nytt material? Skapa förtroende svårt att vara först Vara medveten om konkurrensen Förbättring av befintlig teknik för ökad konkurrenskraft? Små marginaler i produktionen idag, men verkningsgrad är viktigt! Integrera solceller i byggmaterial? Solceller på alla nya småhus och alla bytta tak Satsa på kringkomponenter för svensk marknad Bygga system, inte bara moduler
Varför behövs forskningen? Innovationskraft kommer av överkritisk verksamhet med tillräckliga resurser Labutrustning måste få kosta En god forskningsmiljö och världsledande resultat lockar de bästa Kontinuitet och förnyelse Uppfinn inte hjulet igen, men våga tänka utanför det etablerade! Utveckling från utvecklad idé till produkt tar tid, gynna även tillämpad forskning på universitet och högskolor och i forskningsintensiva företag Know-how och förståelse för processer ovärderligt för att starta produktion Ingenjörer och doktorer utbildade i erfarna grupper Värdera erfarenheter från industrialisering MEN - Bygg inte fabriken själv, samarbeta med proffs Samverkan med världen utanför Sverige Ta hem ny kunskap och testa
Resursbilder
Solar cell technologies on the market 20 % of market Thin film modules 3-5 µm active material sandwiched between two sheets of glass 80 % of market CIGS CdTe TF-Si Wafer based silicon modules Wafers soldered together and protected by one sheet of glass and back sheet material mc-si sc-si
PRODUCTS - Q.SMART SERIES Q.Smart 80-95 Framed CIGS Module Q.Smart UF 75-95 Unframed CIGS Module Q.Smart UF L 95-115 Unframed CIGS Module Nominal Power 80 95 Wp Nominal Power 75 95 Wp Nominal Power 95 115 Wp Positive Sorting +5 / -0 Wp Positive Sorting +5 / -0 Wp Positive Sorting Maximum Nominal Efficiency 12.5% Maximum Nominal Efficiency 12.7% Maximum Nominal Efficiency +5 / -0 Wp 12.2% Surface Area 0.76 m² Surface Area 0.75 m² Surface Area 0.94 m² Snow/Wind Up to 5400Pa Snow/Wind Up to 2400Pa Snow/Wind Up to 2400Pa Load Load Load
The thin film market 2012 (?)
The CIGS world in 2011 PHOTON International April 2011
The CIGS world in 2012 (Hanergy) (Hanergy) (Manz) Targets equipment manufacturing Avancis is building a CIGS factory with Honda heavy industries PHOTON International April 2011
CHAMPION MODULE FROM PRODUCTION PRODUCTION AVERAGE 13.6 % > 13.9 % Aperture area efficiency: 14.7% Total area efficiency: 13.4%
WORLD RECORD MODULE EFFICIENCY WORLD RECORD thin-film sub-module efficiency confirmed by Fraunhofer ISE 4 4 cm 2 aperture area 4 monolithically interconnected cells Eta: 17.4 % V oc : 2.73 V J sc : 135 ma FF: 75.5 % Simulation CIGS co-evaporation similar to the current production processes with respect to metal flux profiles, process temperature, and deposition time
Materials costs dominate Above 100 MW P annual production capacity the materials cost will dominate (> 50 %) Contacting Other Substrate Front glass cc Contact layers Lamination Buffer CIGS
High efficiency is a good way of reducing cost Efficiency impacts $/W P strongly Each percent point higher efficiency means almost 10 % lower COGS if it comes at no or low cost 10 % same power at less m 2 11 % Equipment cost depreciation Assume 20 % of COGS Reducing equipment cost by 50 % has the same impact as increasing the efficiency by 1 % point. ( 50 % of 20 % = 10 % lower COGS)