De flesta solpaneler som täcker världens tak, fält och öknar delar idag samma ingrediens: kristallint kisel.Materialet, tillverkat av rå polykisel, formas till wafers och kopplas in i solceller, enheter som omvandlar solljus till elektricitet.Nyligen har branschens beroende av denna unika teknik blivit något av en skuld.Flaskhalsar i försörjningskedjansaktar nernya solcellsinstallationer över hela världen.Stora polykiselleverantörer i Kinas Xinjiang-region —anklagade för att ha använt tvångsarbete från uigurer— står inför amerikanska handelssanktioner.
Lyckligtvis är kristallint kisel inte det enda materialet som kan hjälpa till att utnyttja solens energi.I USA arbetar forskare och tillverkare för att utöka produktionen av kadmiumtellurid-solteknik.Kadmiumtellurid är en typ av "tunnfilms"-solcell, och som namnet antyder är den mycket tunnare än en traditionell kiselcell.Idag, paneler som använder kadmiumtelluridleverera cirka 40 procentav den amerikanska marknaden för allmännyttig skala och cirka 5 procent av den globala solenergimarknaden.Och de kommer att dra nytta av motvinden som den bredare solcellsindustrin möter.
"Det är en mycket flyktig tid, särskilt för den kristallina kiselförsörjningskedjan i allmänhet", säger Kelsey Goss, en solforskningsanalytiker för energikonsultgruppen Wood Mackenzie."Det finns stor potential för kadmiumtelluridtillverkare att ta fler marknadsandelar under det kommande året."Speciellt, noterade hon, eftersom kadmiumtelluridsektorn redan skalas upp.
I juni sa solcellstillverkaren First Solar att det skulle göra detinvestera 680 miljoner dollari en tredje kadmiumtelluride solenergifabrik i nordvästra Ohio.När anläggningen står färdig, 2025, kommer företaget att kunna göra 6 gigawatts solpaneler i området.Det räcker för att driva ungefär 1 miljon amerikanska hem.En annan Ohio-baserad solcellsfirma, Toledo Solar, gick nyligen in på marknaden och tillverkar kadmiumtelluridpaneler för hustak.Och i juni, US Department of Energy och dess National Renewable Energy Laboratory, eller NREL,lanserade ett program på 20 miljoner dollaratt påskynda forskningen och utöka leveranskedjan för kadmiumtellurid.Ett av målen med programmet är att hjälpa till att isolera den amerikanska solenergimarknaden från globala utbudsbegränsningar.
Forskare vid NREL och First Solar, tidigare kallat Solar Cell Inc., har arbetat tillsammans sedan början av 1990-talet för att utvecklakadmiumtelluridteknik.Kadmium och tellurid är biprodukter av smältning av zinkmalmer respektive raffinering av koppar.Medan kiselwafers kopplas samman för att göra celler, appliceras kadmium och tellurid som ett tunt lager - ungefär en tiondel av diametern på ett människohår - på en glasruta, tillsammans med andra elektricitetsledande material.First Solar, nu världens största tunnfilmstillverkare, har levererat paneler för solcellsinstallationer i 45 länder.
Tekniken har vissa fördelar jämfört med kristallint kisel, säger NREL-forskaren Lorelle Mansfield.Till exempel kräver tunnfilmsprocessen färre material än den waferbaserade metoden.Tunnfilmstekniken är också väl lämpad för användning i flexibla paneler, som sådana som täcker ryggsäckar eller drönare eller är integrerade i byggnadsfasader och fönster.Viktigt är att tunnfilmspanelerna presterar bättre i varma temperaturer, medan kiselpaneler kan överhettas och bli mindre effektiva för att generera elektricitet, sa hon.
Men kristallint kisel har övertaget på andra områden, såsom deras genomsnittliga effektivitet - vilket betyder procentandelen solljus som paneler absorberar och omvandlar till elektricitet.Historiskt sett har kiselpaneler haft högre effektivitet än kadmiumtelluridteknologi, även om klyftan minskar. Dagens industriellt producerade kiselpaneler kan uppnå effektivitetsvinster på18 till 22 procent, medan First Solar har rapporterat en genomsnittlig effektivitet på 18 procent för sina nyaste kommersiella paneler.
Ändå är den främsta anledningen till att kisel har dominerat den globala marknaden relativt enkel."Allt beror på kostnaden," sa Goss."Solmarknaden tenderar att vara starkt driven av den billigaste tekniken."
Kristallint kisel kostar cirka $0,24 till $0,25 för att producera varje watt solenergi, vilket är mindre än andra utmanare, sa hon.First Solar sa att de inte längre rapporterar kostnaden per watt för att producera sina kadmiumtelluridpaneler, bara att kostnaderna har "sjunkit avsevärt" sedan 2015 - när företagetrapporterade kostnader på 0,46 USD per watt— och fortsätter att minska varje år.Det finns några anledningar till att kisel är relativt billigt.Råmaterialet polykisel, som också används i datorer och smartphones, är mer allmänt tillgängligt och billigare än förråd av kadmium och tellurid.I takt med att fabriker för silikonpaneler och relaterade komponenter har skalat upp har de totala kostnaderna för att tillverka och installera tekniken minskat.Den kinesiska regeringen har också kraftigtstöds och subventioneraslandets kiselsolsektor — så mycket attcirka 80 procentav världens försörjningskedja för solcellstillverkning går nu genom Kina.
Fallande panelkostnader har drivit den globala solboomen.Under det senaste decenniet har världens totala installerade solenergikapacitet sett en nästan tiofaldig ökning, från cirka 74 000 megawatt 2011 till nästan 714 000 megawatt 2020,enligtInternational Renewable Energy Agency.USA står för ungefär en sjundedel av världens totala mängd, och solenergi är nuen av de största källornaav ny elkapacitet som installeras i USA varje år.
Kostnaden per watt för kadmiumtellurid och andra tunnfilmsteknologier förväntas på samma sätt krympa när tillverkningen expanderar.(First Solar sägeratt när dess nya anläggning i Ohio öppnar kommer företaget att leverera den lägsta kostnaden per watt på hela solenergimarknaden.) Men kostnaden är inte det enda måttet som spelar roll, vilket branschens nuvarande problem med leveranskedjan och arbetsmarknadsfrågor klargör.
Mark Widmar, VD för First Solar, sa att företagets planerade expansion på 680 miljoner dollar är en del av en större ansträngning för att bygga en självförsörjande leveranskedja och "frikoppla" den amerikanska solenergiindustrin från Kina.Även om kadmiumtelluridpaneler inte använder något polykisel, har First Solar känt andra utmaningar som branschen står inför, som pandemi-inducerade eftersläpningar inom sjöfartsindustrin.I april berättade First Solar för investerare att trängseln i amerikanska hamnar höll upp panelleveranser från dess anläggningar i Asien.En ökad amerikansk produktion kommer att tillåta företaget att använda vägar och järnvägar för att frakta sina paneler, inte lastfartyg, sa Widmar.Och företagets befintliga återvinningsprogram för sina solpaneler gör att det kan återanvända material många gånger om, vilket ytterligare minskar beroendet av utländska leveranskedjor och råmaterial.
När First Solar tar fram paneler fortsätter forskare på både företaget och NREL att testa och förbättra kadmiumtelluridteknologin.Under 2019, partnernautvecklat ett nytt tillvägagångssättdet innebär att "dopa" tunnfilmsmaterialen med koppar och klor för att uppnå ännu högre effektivitet.Tidigare denna månad, NRELmeddelade resultatenav ett 25-årigt fälttest vid dess utomhusanläggning i Golden, Colorado.En 12-panels array av kadmiumtelluridpaneler fungerade med 88 procent av sin ursprungliga effektivitet, ett starkt resultat för en panel som har suttit utomhus i över två decennier.Nedbrytningen "är i linje med vad kiselsystem gör", enligt NREL-utgåvan.
Mansfield, NREL-forskaren, sa att målet inte är att ersätta kristallint kisel med kadmiumtellurid eller etablera en teknik som överlägsen den andra."Jag tror att det finns en plats för dem alla på marknaden, och de har var och en sina applikationer," sa hon."Vi vill att all energi ska gå till förnybara källor, så vi behöver verkligen alla dessa olika typer av teknik för att möta den utmaningen."
Posttid: 17 september 2021