Alta Devices: een oplossing voor zonne-energie vinden

Alta Devices wil een zeer competitieve markt voor zonne-energie betreden en hoopt een combinatie van technologische vooruitgang en fabricagekennis te gebruiken om te slagen waar vele anderen zijn gecrasht en verbrand. Door

• David Rotman archiefpagina

21 februari 2012

Alta Devices is een kleine maar goed gefinancierde startup gevestigd in hetzelfde onopvallende kantoorgebouw in Silicon Valley dat ooit dienst deed als hoofdkantoor voor Solyndra, het beruchte zonne-energiebedrijf dat vorig jaar failliet ging nadat het honderden miljoenen dollars aan publieke en venture-investeringen had verbrand. . Of de locatie slecht karma heeft, is nog steeds niet duidelijk, grapt Alta's CEO, Christopher Norris. Maar Norris, een voormalig directeur van de halfgeleiderindustrie en durfkapitalist, weet wel dat het lot van zijn bedrijf zal afhangen van het vermogen om door het riskante en dure proces van opschaling van zijn nieuwe technologie te navigeren, die volgens hem stroom kan produceren tegen een concurrerende prijs. met fossiele brandstoffen en veel goedkoper dan de huidige zonnepanelen.

Op een tafel in de vergaderruimte van Alta legt Norris monsters neer van de zonnecellen van het bedrijf, flexibele zwarte vlekken ingekapseld in doorzichtig plastic. Ze zien er onopvallend uit, maar dat komt omdat het belangrijkste ingrediënt bijna onzichtbaar is: microscopisch dunne vellen galliumarsenide. De halfgeleider is zo goed in het absorberen van zonlicht en het omzetten ervan in elektriciteit dat een van Alta's apparaten, met een actieve laag galliumarsenide van slechts een paar micrometer dik, onlangs een record vestigde voor fotovoltaïsche efficiëntie. Maar galliumarsenide is ook extreem duur om te gebruiken in zonnecellen, en dunne lagen ervan zijn vaak kwetsbaar en moeilijk te vervaardigen. In feite liggen de innovaties van Alta niet in het kiezen van het materiaal - de halfgeleider wordt al tientallen jaren gebruikt in zonnecellen op satellieten en ruimtevaartuigen - maar in het uitzoeken hoe je er zonnepanelen van kunt maken die goedkoop genoeg zijn om praktisch te zijn voor de meeste toepassingen.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van maart 2012

• Zie de rest van het probleem
• Abonneren

Het bedrijf, opgericht in 2007, is gebaseerd op het werk van twee van 's werelds toonaangevende academische onderzoekers op het gebied van fotonische materialen. Een van hen, Eli Yablonovitch, nu hoogleraar elektrotechniek aan de University of California, Berkeley, ontwikkelde en patenteerde een techniek voor het maken van ultradunne films van galliumarsenide in de jaren tachtig, toen hij bij Bell Communications Research werkte. De andere, Harry Atwater, hoogleraar toegepaste natuurkunde en materiaalkunde aan Caltech, is een pionier in het gebruik van microstructuren en nanostructuren om het vermogen van materialen om licht op te vangen en om te zetten in elektriciteit te verbeteren. Andy Rappaport, een durfkapitalist bij August Capital, werkte samen met de twee wetenschappers om Alta op te richten, Bill Joy, mede-Silicon Valley-veteraan, aan te werven als investeerder en, met de andere medeoprichters, een managementteam op te bouwen met Norris. Het doel: zeer efficiënte zonnecellen maken, en goedkoper dan op basis van bestaande siliciumtechnologie.

Het is op dit punt dat veel startups op zonne-energie de fout in zijn gegaan en zich haastten om een ​​innovatieve technologie op te schalen voordat ze de economische en technische uitdagingen ervan begrepen. In plaats daarvan bracht Alta de eerste jaren in stealth-modus door, stilletjes proberend te achterhalen, zoals Norris het stelt, of zijn proces voor het maken van galliumarsenide-zonnecellen meer was dan een wetenschappelijk experiment en als een levensvatbare basis voor productie zou kunnen dienen.

Flexibel vermogen: Van de zonnecellen van Alta kunnen buigbare platen worden gemaakt. In dit voorbeeld is een reeks zonnecellen ingekapseld in een dakbedekking.

Restanten van het wetenschappelijke experiment zijn nog steeds zichtbaar in het bescheiden lab aan de achterkant van Alta's kantoren. Kleine keramische potten staan ​​op elektrische kookplaten - overblijfselen van de vroege inspanningen van het bedrijf om de epitaxiale liftoff-techniek van Yablonovitch te optimaliseren, waarbij zuren worden gebruikt om dunne films van galliumarsenide nauwkeurig te scheiden van de wafels waarop ze worden gekweekt. Elders in het lab wordt de apparatuur steeds groter en geavanceerder, wat de opschaling van het proces weerspiegelt. In de buurt van een kijkvenster waar potentiële investeerders in het laboratorium kunnen kijken zonder de bekleding van de cleanroom aan te trekken, is een van de juwelen van de ontwikkelingsinspanningen van het bedrijf: een lang stuk apparatuur waarin batches monsters worden verwerkt om de dunne-film zonnecellen te maken . Het is overtuigend bewijs dat het vroege werk met potten en kookplaten kan worden omgezet in een geautomatiseerd proces dat in staat is om de opbrengsten te genereren die nodig zijn voor productie in de echte wereld.

ZONNE-LIFTOFF

Toen Bill Joy, medeoprichter van Sun Microsystems en nu een toonaangevende durfkapitalist in Silicon Valley, voor het eerst het businessplan zag voor wat Alta Devices zou worden, waren hij en zijn collega's bij Kleiner Perkins Caufield & Byers al op zoek naar zeer efficiënte dunne-film zonne-energie. technologie. Joy houdt een lijst bij - momenteel ongeveer 12 tot 15 items lang - van wenselijke technologieën waarvan hij denkt dat hij een redelijke kans heeft om te vinden. Zonnecellen die zeer efficiënt zonlicht omzetten en die goedkoop in flexibele platen kunnen worden gemaakt, kunnen manieren bieden om de totale kosten van zonne-energie drastisch te verlagen. Galliumarsenidetechnologie was een natuurlijke keuze voor efficiëntie, maar de economie van Alta was wat de investeerders echt interesseerde. Hun kerncompetentie was het maakbaar te maken, zegt Joy, die binnen een paar maanden als investeerder bij Rappaport kwam.

Galliumarsenide is om een ​​aantal redenen een bijna ideaal materiaal voor zonne-energie. Het absorbeert niet alleen veel meer zonlicht dan silicium - dunne laagjes ervan vangen evenveel fotonen op als 100 keer dikker silicium - maar het is ook minder gevoelig voor warmte dan siliciumzonnecellen, waarvan de prestaties dramatisch afnemen boven 25 °C. En galliumarsenide is beter dan silicium omdat het zijn vermogen om elektriciteit te produceren behoudt in omstandigheden met relatief weinig licht, zoals 's morgens vroeg of laat in de middag.

De sleutel tot het verlagen van de productiekosten is de techniek die Yablonovitch decennia geleden heeft helpen uitvinden. De halfgeleider kan epitaxiaal worden gekweekt: wanneer dunne lagen chemisch worden afgezet op een substraat van eenkristal galliumarsenide, nemen ze allemaal dezelfde eenkristalstructuur aan. Yablonovitch ontdekte dat als een laag aluminiumarsenide tussen de lagen wordt geklemd, dit selectief kan worden weggevreten met een zuur, en het galliumarsenide erboven kan worden afgepeld. Het was een elegante en eenvoudige manier om dunne films van het materiaal te maken. Maar het proces was ook problematisch: de eenkristalfilms barsten gemakkelijk en worden waardeloos. Door de fabricagemethode van Yablonovitch aan te passen, hebben Alta-onderzoekers manieren gevonden om robuuste films te maken die niet snel barsten. En niet alleen gebruiken de dunne films weinig van het halfgeleidermateriaal, maar het waardevolle galliumarsenidesubstraat kan meerdere keren worden hergebruikt, waardoor het proces betaalbaar wordt.

Onderzoek door de oprichters van Alta heeft ook geleid tot technieken om de prestaties van de zonnecellen te verhogen. Fotovoltaïsche cellen werken omdat de fotonen die ze absorberen de energieniveaus van elektronen in de halfgeleider verhogen, waardoor ze vrijkomen om naar metalen contacten te stromen en een stroom te creëren. Maar de rondzwervende elektronen kunnen op verschillende manieren worden verspild, zoals in warmte. In galliumarsenide recombineren de vrijgekomen elektronen echter vaak met positief geladen gaten om fotonen opnieuw te creëren en het proces opnieuw te beginnen. Het werk van Yablonovitch en Atwater om dit proces uit te leggen, heeft Alta geholpen bij het ontwerpen van cellen om te profiteren van deze fotonenrecycling, wat veel kansen biedt om fotonen terug te winnen en ze in elektriciteit om te zetten.

Aldus Alta's efficiëntierecord: zijn cellen hebben 28,3 procent van het zonlicht omgezet in elektriciteit, terwijl het hoogste rendement voor een siliciumzonnecel 25 procent is, en veelgebruikte dunnefilm-zonnematerialen niet meer dan 20 procent bedragen. Yablonovitch suggereert dat Alta een goede kans heeft om uiteindelijk 30 procent efficiëntie te doorbreken en de theoretische limiet van 33,4 procent voor cellen van zijn type te naderen.

De hoge efficiëntie, gecombineerd met het vermogen van galliumarsenide om te presteren bij relatief hoge temperaturen en bij weinig licht, betekent dat de cellen in een jaar twee of drie keer meer energie kunnen produceren dan conventionele siliciumcellen, zegt Norris. En dat vertaalt zich natuurlijk direct in lagere prijzen voor zonne-energie. Norris zegt dat het een niet onredelijke verwachting is dat de galliumarsenidetechnologie een genivelleerde energiekost zou kunnen opleveren (een veelgebruikte industriële maatstaf die de levensduurkosten van het bouwen en exploiteren van een elektriciteitscentrale omvat) van zeven cent per kilowattuur. Tegen zo'n prijs, zegt Norris, zou zonne-energie concurrerend zijn met fossiele brandstoffen, waaronder aardgas; nieuwe gascentrales wekken elektriciteit op voor ongeveer 10 cent per kilowattuur. En het zou de huidige zonne-energie tenietdoen, die volgens Norris ongeveer 20 cent per kilowattuur kost om op te wekken.

Zulke cijfers zijn verleidelijk. Maar Norris komt snel met een andere: het kost ongeveer $ 1 miljard om een ​​productiefaciliteit te bouwen die genoeg zonnepanelen kan produceren om een ​​gigawatt aan stroom op te wekken, wat ongeveer de output is van verschillende middelgrote energiecentrales. Ik zie geen enkel scenario waarin we dit alleen zouden doen, zegt hij.

GEEST VAN SOLYNDRA

Silicon Valley is sinds het midden van de jaren 2000 verliefd op schone technologie, maar het moet nog iets cruciaals bedenken: wie zal al het geld leveren dat nodig is om energietechnologieën op te schalen en fabrieken te bouwen om ze te produceren? Venture-investeerders zijn misschien bedreven in het kiezen van technologieën, maar weinigen van hen hebben de diepe zakken of het geduld dat nodig is om te concurreren in een kapitaalintensieve onderneming zoals de productie van zonnemodules. De ineenstorting van Solyndra, die een fabriek van $ 733 miljoen bouwde in Fremont, Californië, is slechts de meest recente herinnering aan wat er mis kan gaan.

Alta's hoofdinvesteerder Andy Rappaport zegt dat hij meestal wegblijft van investeringen in schone technologie, inclusief fotovoltaïsche energie. Veel investeerders in zonne-energie, zo suggereert hij, hebben gewed dat een startup de marginale productiekosten zou kunnen verlagen en zo wat marktaandeel zou kunnen veroveren. Dat is een recept voor mislukking, zegt hij, omdat je honderden miljoenen moet uitgeven om een ​​fabriek te bouwen voordat je weet of je iets van waarde hebt. De strategie is nu bijzonder riskant, omdat fotovoltaïsche energie een steeds competitievere grondstof wordt en de prijzen blijven kelderen, wat een bewegend doelwit vormt voor nieuwe productie. Maar in plaats van te proberen waarde te creëren door productiecapaciteit op te bouwen, zegt Rappaport, kan Alta profiteren van zijn intellectuele eigendom: we hebben eenvoudig en consequent gezegd dat we de capaciteit sneller kunnen opschalen en een veel sterker bedrijf kunnen bouwen door gebruik te maken van partnerschappen in plaats van onze investeringen te verhogen en uit te geven. eigen kapitaal om fabrieken te bouwen.

Huidige investeerders in Alta zijn onder meer GE, Sumitomo en Dow Chemical, die onlangs dakshingles introduceerden met dunne-film fotovoltaïsche cellen (zie Kunnen we de doorbraken van morgen bouwen? Januari/februari 2012) . Hoewel deze bedrijven in verschillende financieringsrondes hebben geïnvesteerd - Alta heeft tot dusver $ 120 miljoen opgehaald - zou Norris uiteindelijk graag deals zien, zoals licentieovereenkomsten of joint ventures, waarbij fabrikanten capaciteit opbouwen om Alta's zonnecellen te produceren of de zonnetechnologie gebruiken in hun producten. Om dat te doen, zegt hij, moet Alta eerst het risico van de productietechnologie afbouwen en aan potentiële partners aantonen dat de galliumarsenide-zonnepanelen inderdaad op een economisch concurrerende manier kunnen worden geproduceerd.

Op minder dan anderhalve kilometer van het hoofdkantoor is Alta bezig met het strippen en renoveren van een gebouw waar Netflix vroeger dvd's opsloeg, en verandert het in een proeffaciliteit van $ 40 miljoen om zijn apparatuur te testen. Hoewel de faciliteit veel kleiner is dan een commerciële zonnefabriek, is het nog steeds geen kleine of goedkope onderneming. Norris kijkt argwanend naar de nieuwe kolommen die nodig zijn om het dak te versterken, dat zware ventilatie- en emissiebeheersingsapparatuur zal moeten bevatten. Maar de CEO van Alta wordt opgewekter naarmate hij het bijna voltooide achterste gedeelte van de faciliteit nadert. Daar, in verschillende witte kamers, staan ​​de grote op maat gemaakte versies van het laboratoriumapparaat dat is gebruikt om de zonnecellen te maken.

Of Alta daarin slaagt, hangt vooral af van hoe goed deze fabricage-uitvindingen presteren. De kosten van de proeffaciliteit kunnen verbleken naast het prijskaartje voor een zonnefabriek op commerciële schaal, maar het is nog steeds een cruciale investering voor de startup. En hoewel Alta druk bezig is om de faciliteit tegen het einde van het jaar operationeel te krijgen, zegt Norris, hanteert het een weloverwogen, methodische benadering van het proces van opschaling. Dat staat in schril contrast met eerdere startups op zonne-energie die honderden miljoenen aan venture-investeringen hebben uitgegeven om fabrieken zo snel mogelijk te bouwen. Maar de voorzichtige aanpak van Alta moet niet worden verward met een gebrek aan ambitie. Het doel, zegt Norris, is om hier een fundamentele, transformatieve technologie van te maken.

David Rotman is Technologie beoordeling ’s redacteur.

zich verstoppen