Distinct Black White Paper - European Copper Institute

Odnawialne źródła energii
Artykuły
www.leonardo-energy.org
Marzec 2007
Przemysł półprzewodnikowy wkracza na rynek energii
fotowoltaicznej
Craig Addison, Eddy Blokken
W przeciągu ostatnich dziesięciu lat rynek słonecznej energii fotowoltaicznej
(PV) wykazuje łączną stopę wzrostu rocznego w skali globalnej powyżej
40%. Niewiele gałęzi przemysłu może pochwalić się podobnymi liczbami, ale
przed słoneczną energią fotowoltaiczną stoją dwa duże wyzwania. W celu
zapewnienia ekonomicznie zrównoważonego wzrostu, koszty produkcji
powinny spadać, natomiast zdolność produkcyjna musi nadal wzrastać, aby
fotowoltaika mogła stać się znaczącym graczem na światowym rynku energii.
Aby przemysł fotowoltaiczny mógł być w dłuższej perspektywie rentowny,
jednostkowa cena (koszt/kWh) energii elektrycznej wytwarzanej za pomocą
systemów fotowoltaicznych powinna być porównywalna z rynkową ceną
energii elektrycznej w godzinach szczytu. Koszt docelowy wynosi 20
eurocentów/kWh. Osiągnięcie tego celu wymaga znaczącej poprawy
efektywności procesu produkcyjnego, jak również zmniejszenia kosztów
pozostałej części systemu, jak prostowniki i instalacja.
Na przestrzeni ostatnich czterech dekad przemysł półprzewodnikowy
znacznie wzbogacił wiedzę i know-how na temat krzemu w różnych
postaciach, jak również jego wzajemnych oddziaływań z innymi materiałami,
takimi jak aluminium i miedź. Wiedza ta jest szczególnie przydatna dla
analizowania zachowania się krzemowych ogniw słonecznych i optymalizacji
ich sprawności. Na przykład, instytut badawczy IMEC 1 z siedzibą w Belgii,
wykorzystuje w swoich pracach nad cienkowarstwowymi ogniwami
fotowoltaicznymi wiedzę z dziedziny zaawansowanych technologii
submikronowych. Poznanie procesu epitaksjalnego osadzania krzemu i jego
oddziaływań z podłożem umożliwiło otrzymywanie dużych kryształów krzemu
na niskokosztowych podłożach i wydajnych ogniw PV przy znacząco
niższych kosztach.
Także wytwórcy urządzeń do produkcji półprzewodników wykorzystują swoje
doświadczenia jako podstawę do wejścia na rynek PV. We wrześniu 2006 r.
firma Applied Materials ogłosiła przejęcie firmy Applied Films,
wyspecjalizowanej w dziedzinie systemów naparowywania próżniowego do
1
IMEC: Institute of Materials and Environmental Chemistry
www .leonardo-energy.org
nanoszenia cienkich powłok na różnych podłożach. Technologia ta jest
stosowana do pokrywania szkła elewacyjnego cienkimi warstwami
odbijającymi ciepło, lub nanoszenia na folię plastykową cienkiej warstwy
aluminium. Tego rodzaju technologie mają również zastosowanie do
wytwarzania cienkowarstwowych układów fotowoltaicznych, a w przyszłości
nawet nanoszenia ich na folię metodą z roli na rolę. Ten ostatni przypadek
jest uważany za ostateczny, tani system fotowoltaiczny przyszłości.
Jednak dla graczy z sektora technologii półprzewodników wkroczenie w
dziedzinę fotowoltaiki nie jest "darmową okazją", ponieważ adaptacja
procesów wytwarzania półprzewodników do potrzeb produkcji układów
fotowoltaicznych wymaga znacznych nakładów na badania. W
mikroelektronice zwykle stosowane są procesy produkcji wsadowej, które
pozwalają producentowi na wytwarzanie różnych układów na tej samej linii
produkcyjnej przy minimalnym czasie przezbrojenia. W produkcji elementów
fotowoltaicznych, głównym celem jest maksymalizacja wydajności przy
założonej jakości procesu. Procesy produkcji wsadowej są z natury mniej
efektywne niż procesy ciągłe, z powodu oczekiwania partii wyrobu między
krokami procesu.
Od roku 2005 znacznie wrosło zapotrzebowanie na krzem w przemyśle
fotowoltaicznym,
przewyższając
nawet
potrzeby
przemysłu
półprzewodnikowego. Doprowadziło to do bezprecedensowego wzrostu cen
krzemu na rynku natychmiastowym, jak również do tego, że zakłady
produkujące urządzenia fotowoltaiczne pracują z niepełną wydajnością.
Rozwiązując ten problem, przemysł fotowoltaiczny dostrzegł potrzebę
uzgadniania długoterminowych prognoz zdolności produkcyjnej w celu
zapewnienia sobie dostaw surowca dla linii produkcyjnych. Ponieważ
rozbudowa dodatkowej zdolności produkcyjnej surowego krzemu zajmuje
około dwóch lat, dopiero w roku 2008, lub później, można się spodziewać
powrotu cen krzemu do normalnego poziomu, który dla krzemu stosowanego
w ogniwach fotowoltaicznych (tzw. solar-grade ) wynosi 30-40 USD/kg.
Dodatkową korzyścią tego rozwoju jest większa produkcja i dostępność
krzemu do zastosowań fotowoltaicznych, który ze względu na mniej ostre
wymagania co do czystości, będzie tańszy od krzemu do produkcji
półprzewodników.
Innym interesującym rozwiązaniem jest stosowanie alternatywnych tańszych
technik otrzymywania krzemu do zastosowań fotowoltaicznych. Niektórzy
dostawcy opracowują na skalę komercyjną metodę chemicznego
oczyszczania krzemu, która ma być znacznie mniej kosztowna od
dotychczasowych metod. Firma Dow Corning oznajmiła ostatnio, że oferuje
krzem do zastosowań fotowoltaicznych otrzymywany z krzemu
polikrystalicznego, będącego surowcem dla tego procesu. Ponieważ w tym
procesie koszt produkcji może być niższy, pojawiają się możliwości obniżenia
całkowitego kosztu ogniwa fotowoltaicznego, gdy krzem o czystości do
zastosowań fotowoltaicznych będzie już dostępny w wystarczających
ilościach. W obecnej chwili nie jest jednak jasne, jaki będzie wpływ
zastosowania nowego materiału na sprawność ogniwa.
© European Copper Institute & SEMI
2
www .leonardo-energy.org
W roku 2005, firma Sharp w Japonii była jedynym producentem ogniw
fotowoltaicznych, o zdolności produkcyjnej ponad 400 MW/r., co odpowiada
około 25% udziału w rynku. Drugim z kolei producentem była firma Q-Cells w
Niemczech, z produkcją 160 MW/r. Q-Cells spodziewa się przekroczyć próg
400 MW/r. w 2007 roku, podobnie jak japońskie spółki Kyocera i Sanyo.
Specjaliści przemysłowi uważają, że w ciągu czterech lat wiodący producenci
ogniw fotowoltaicznych będą dysponować zakładami o zdolności
produkcyjnej 500 MW/r., którą uważa się za progową wartość ekonomicznie
opłacalnej produkcji ogniw fotowoltaicznych.
Niektórzy analitycy uważają, że w najbliższych 5-7 latach nastąpi
konsolidacja obecnych graczy na rynku fotowoltaicznym. W bardziej odległej
przyszłości możemy oczekiwać konsolidacji w kilku ogniwach łańcucha
wartości tego przemysłu, gdzie niewielu graczy będzie produkować gros
ogniw fotowoltaicznych powszechnego zastosowania, podczas gdy mniejsi
gracze przejdą do wyspecjalizowanych produktów niszowych.
Innym wyzwaniem, jakie stoi przed przemysłem fotowoltaicznym, jest brak
norm technicznych. Kilku większych producentów ogniw fotowoltaicznych,
którzy są zintegrowani pionowo, opracowało swoje własne standardy będące
przedmiotem prawa własności. Nowi gracze wchodzący na rynek będą
poszukiwali niezależnych dostawców urządzeń w celu zbudowania
kompletnej linii produkcyjnej. Takie podejście może przynieść sukces tylko
wtedy, gdy zostaną uzgodnione standardy przemysłowe dotyczące
interfejsów stosowanych między tymi systemami. Może to być w formie
zwykłych uzgodnień, dotyczących wysokości i innych wymiarów wejścia i
wyjścia dla systemów przepływu ciągłego lub bardziej zawansowanych
interfejsów, takich jak interfejsy maszyna-maszyna i związane z nimi
protokoły oprogramowania dla sterowania procesem całej linii produkcyjnej.
Oprócz normalizacji, do zwiększenia ekonomicznej opłacalności produkcji
mogą przyczynić się także usprawnienia produkcji. Jednym z nich nadal
pozostaje zmniejszenie grubości płytek krzemowych, co pozwoliłoby na
zwiększenie produkcji. Jeżeli, na przykład, można by zmniejszyć ilość
krzemu zużywanego do produkcji ogniw fotowoltaicznych, to produkcja
przemysłu fotowoltaicznego z tej samej ilości surowca mogłaby zwiększyć się
z 5,6 GW/r. do 8,5 GW/r. Istnieją jednak czynniki ograniczające zmniejszanie
grubości, takie jak zginanie i pękanie ogniw w procesie produkcyjnym oraz
rekombinacja elektronów wędrujących poprzez komórkę do styków.
Craig Addison jest naczelnym redaktorem w SEMI.
Eddy Blokken jest dyrektorem technologii i standardów w SEMI Europa i jest
odpowiedzialny za segment PV na całym świecie. Do jego funkcji należy
zapewnienie, że doświadczenia uzyskane w ciągu lat w społeczności
członków SEMI są prawidłowo przenoszone do nowego środowiska jakim
jest przemysł fotowoltaiczny.
© European Copper Institute & SEMI
3
www .leonardo-energy.org
Wszelkie pytania związane z tym artykułem lub działalnością SEMI można
kierować do [email protected]
Przoszę także odwiedzić naszą stronę internetową: http://www.semi.org/pv
© European Copper Institute & SEMI
4