Hur utvecklas verkningsgraden för solcellsmoduler?

Verkningsgraden hos solcellsmoduler är viktig om man vill ha låg solelproduktionskostnad. I vissa tillämpningar kan dock andra egenskaper prioriteras på bekostnad av en lägre verkningsgrad. Exempelvis gäller det amorfa kiselsolceller för konsumentelektronik, som miniräknare. De har en verkningsgrad som är (klart) under 10%.

Kiselbaserade moduler hade 89% av världsmarknaden år 2012. Utvecklingen av verkningsgraden för kommersiella kiselbaserade moduler går framåt sakta men säkert. I en rapport från ansedda Fraunhofer Institute i december 2012 anger man att medelverkningsgraden för kommersiella kiselbaserade moduler har ökat från ca 12% till ca 15% under de senaste tio åren. Det gör en medelökning på 0,3% per år i modulverkningsgrad. Det stämmer väl med siffror jag såg i en annan källa för 1-2 år sedan.

Om vi extrapolerar en linjär utveckling med 0,3% per år skulle det ta 17 år att nå 20% i medelverkningsgrad för kommersiella kiselbaserade moduler. Jag tror dock inte att man kan anta en linjär utveckling eftersom man kommer allt närmare de högsta verkningsgrader man nått för labsolceller av kisel och att det därmed blir allt svårare och dyrare att förbättra verkningsgraderna.

Den bästa cellverkningsgraden för små labceller av monokristallin kisel är 25,0% för en 4 cm2 stor solcell från år 1999 enligt Solar cell efficiency tables (version 41), sedan dess har ingen förbättring skett. Rekordet för multikristallina kiselsolceller är på 20,4% från 2004 för en solcell på 1 cm2. Senare tids framsteg har gjorts inom HIT solceller, där Panasonic rapporterat om världsrekord på 24,7% tidigare i år för en kiselbaserad solcell av praktiskt användbar storlek (101,8 cm2). HIT står för Heterojunction with Intrinsic Thin layer, se figuren här nedan. Man utgår från en monokristallin solcell och belägger den med mycket tunna skikt av amorft kisel på båda sidorna av solcellen. De extra beläggningarna med amorfa kiselskikt ökar tillverkningskostnaden.

Uppbyggnad av Panasonic HIT-solcell. Källa: PV Magazine 2013-02-12.

Man ska komma ihåg att i en modul seriekopplas många solceller och modulverkningsgraden blir alltid lägre än för en enstaka solcell. Exempelvis använder Sun Powers 21,5% modul enligt nedan solceller med 24% verkningsgrad.

Den bästa verkningsgraden för en kommersiell kiselbaserad modul har Sun Power med 21,5% i medelverkningsgrad. Deras modell X21-345 är på 345 W per modul. Vill man bräcka grannen med denna värstingmodul får man dock vara beredd att slanta upp ungefär dubbelt så mycket som för en modul med 15% verkningsgrad enligt besked från en svensk återförsäljare. Sun Power ger en suverän effektgaranti på minst 95% efter de fem första åren och därefter en degradering på max 0,4% per år till år 25. Det betyder minst 87% av märkeffekten efter 25 år. Jag kan inte tänka mig att någon annan modultillverkare är i närheten av denna garanti. De ger också en unik produktgaranti mot defekter på fantastiska 25 år.

Ytbehovets beroende av verkningsgraden har behandlats i det tidigare inlägget ”Hur mycket ger solceller per m2?”. Om vi skulle byta våra Sanyo HIT-240HDE4 med 17,3% verkningsgrad till Sun Powers X21-345 skulle vi producera 24% mer energi på samma yta.

8 reaktion på “Hur utvecklas verkningsgraden för solcellsmoduler?

  1. Jag ska försöka ge en kort beskrivning för hur lång tid jag tror att det kan ta för att komma till + 20% modulverkningsgrad (22% på cellnivå) för standardsolceller .
    I princip alla processteg för att nå + 22 % verkningsgrad på cellnivå finns framme idag och flertalet används eller håller på att fasas in i produktion. De viktigaste nya processerna är PERC, förbättrad silverpasta, multi-busbars d.v.s. 5 eller fler koppartrådar på varje cell, förbättrad tryckteknik för silverlinjer, lokal laserdopning, förbättrad EVA film, och om man använder sig av dessa processer idag med mono-kisel så hamnar man på en cellverkningsgrad på cirka 21% . Huvudproblemet idag för att nå + 22 % verkningsgrad är att man måste ha renare kisel alternativt att man passiver defekterna samt att man använder sig av knep för att få bort föroreningarna. UNSW i Australien, som förmodligen är det främsta universitet när det gäller utveckling av kiselsolceller, har arbetat länge med att passivera defekterna i kisel med väte, och de annonserade tidigare i våras att de hade tagit fram en ny process för passivering med väte och räknar med att nå 21 % – 23 % verkningsgrad för mainstreamsolceller inom tre år/fyra år (https://newsroom.unsw.edu.au/news/technology/solar-discovery-sets-new-record-low-grade-silicon). Ett flertal stora Kinesiska tillverkare planerar att använda tekniken. Risken med att passivera med väte är att vätet kan försvinna med tiden, och därmed finns det en risk att solcellerna försämras med tiden.
    Alternativet till passivering är att använda renare kisel. Processekvensen för att göra renare kisel är väl känd och slutprodukten kallas Float Zone (FZ) kisel, och det går att tillverka FZ-kisel till samma kostnad eller lägre än Czochralski (CZ) kisel som används idag till kiselsolceller. Orsaken till att FZ-kisel inte används idag skulle kräva en mycket lång beskrivning, men i princip så finns det inget tekniskt eller ekonomiskt hinder för att man ska gå över till FZ-kisel, och det är fullt möjligt att man inom 3 – 5 år kommer att gå från CZ-kisel til FZ-kisel för att tillverka solceller.
    Det som bromsar en snabb ökning av solcellsverkningsgraden är i första hand inte tekniska problem utan hur snabbt man kan investera i ny produktionsutrustning, det vill säga att tillgången på kapital avgör när +20 % modulverkningsgrad blir standard. Ett antal stora Kinesiska tillverkare har redan idag utvecklingsprojekt för att nå 22 % verkningsgrad i produktion och de har tidigare kunnat investera stort i den allra senaste tekniken. Min bedömning är att det förmodligen kommer ta fem till sju år för att nå en modulverkningsgrad på +20 % för standardsolcellsmoduler, men det kan mycket väl gå mycket snabbare (kanske tre – fyra år som snabbast).
    Till sist Sunpower som sedan länge leder racet när det gäller en hög verkningsgrad för kiselsolceller räknar med att nå en medelmodulverkningsgrad på 23% (!) till 2015 samtidigt som priset per watt på modulnivå ska ned 35%, se
    http://files.shareholder.com/downloads/SPWR/2479463606x0x664134/a9d8bb8c-a08e-4892-9909-7fc7b03ff75c/2013%20SunPower%20Analyst%20Day.pdf.

    • Det är bra att utvecklingen för kiselbaserade solceller tuffar på! Man får dock hålla isär forskningsfrontens mål och vad de allra bästa företagen planerar mot vad som de facto är medel i branschen.

      Det står att UNSW (University of New South Wales) forskningsprojekt förväntas vara färdigt 2016, men det betyder inte att det kommer att finns en kommersiell produkt då och framför allt inte hos alla företag på marknaden. Det är naturligt att forskare är optimistiska. Det står också att man förväntas nå 21-23% cellverkningsgrad, men inget om vad man idag verkligen uppnått.

      Sunpower hoppas enligt sin presentation att nå 23% modulverkningsgrad till 2015, men det finns förstås ingen garanti att de når målen. Det står också i diagrammet på s. 8 att man förväntar sig en kostnadsreduktion på moduler på 35% från 2012 till 2015, men inga absoluta kostnadstal anges. Om deras moduler idag kostar i storleksordningen dubbelt så mycket som standardmoduler enligt en svensk leverantör (ca 2,5 gånger dyrare än ”commodity” enligt Sun Powers eget diagram) kommer det inte att vara någon standardprodukt som de flesta använder 2015, ens med 35% lägre modulkostnad.

      Intressant är att Sun Power trots de höga modulpriserna räknat hem en lägre produktionskostnad per kWh (LCOE) för deras solcellssystem jämfört med ”commodity”, vilket beror på mindre prisskillnader mot standardsystem än här i Sverige och att deras moduler har en lägre degradering över livstiden. I diagrammet på s. 38 ligger Sun Powers systemkostnad bara ca 12% över ”commodity”. Ett resultat av strafftullar på kinesiska moduler i USA? Sun Power anger systemkostnaden för Sun Powers solcellssystem i diagram på s. 78 till ca 4,3 USD/W = ca 28 000 kr/kW för ”residential”, vilket är ca 30-40% över svenska priser för småhusanläggningar om man köper via något av våra elbolag som ligger lägst i pris.

  2. NREL:s verkningsgradsgrafer är intressanta. Här anges vad som uppnåtts i labbmiljö för olika solcellstekniker. Graferna ger en förhoppning om vad man kanske kan vänta kommerciellt inom några år.

    http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_cell.
    På denna sida hänvisas till bilden med graferna:
    http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/45/PVeff%28rev130528%29.jpg

    Här ser man tex att HIT-teknologin har nått 24,7 % verkningsgrad i labbmiljö. Dvs de solpaneler av typen HIT med cellverkningsgrad strax 21,6% idag (VBHN240SE10, http://eu-solar.panasonic.net/en/products/n-240-n-235/), mycket väl kan komma att visa verkningsgrader 2 eller 3 %-enheter högre inom några år.

  3. I NREL-diagrammet ser man att de 21,6% solceller som används kommersiellt idag i HIT-moduler togs fram av Sanyo (som nu ingår i Panasonic) 2005, det tog alltså cirka åtta år från forskningslab till användning i kommersiell produkt.

    • Hej!
      Är nyintresserad av solceller. Om man tittar i NREL diagrammet ser man en stor spridning av verkningsgrader. Hur ser marknaden ut för andra typer an solceller än de kiselbaserade (antar blå kurvor). Vilka lämpar sig för elproduktion i fastigheter, vilka har framtida potential, vilka finns som kommersiella produkter med rimlig prisbild, vilka för nackdelar finns det för olika typer osv. Tacksam för svar

      • Gigantiskt ämne, kort generaliserande svar.

        Kristallina kiselbaserade solcellsmoduler hade 89% av världsmarknaden 2012 enligt GTM Research, medan tunnfilmsteknikerna hade 11% och som förväntas fortsätta minska under 2013. Tunnfilmstillverkning domineras stort (är beroende av) av två företag, First Solar (CdTe), och Solar Frontier (CIGS), medan kiselbaserade moduler tillverkas av betydligt fler stora företag.

        NREL:s diagram visar de bästa resultaten på små solceller i forskningslab. Vissa av teknikerna är inte kommersiella (”emerging PV”). Vissa tekniker är eller kanske blir lämpade endast för nischade tillämpningar. ”Multi-junction” används idag på grund av de höga kostnaderna endast i speciella tillämpningar (rymd och högkoncentrerande). Amorft tunnfilmskisel har nischer inom exempelvis konsumentelektronik (miniräknare, klockor etc.) och trädgårdsbelysning.

        På kort sikt (5-10 år) kommer dominansen för kristallina kiselsolceller att fortsätta. På lång sikt får vi se om någon av de nyare teknikerna kan ta upp konkurrensen. Det är ett mycket stort steg från ett forskningslab till en kommersiell produkt som tar många år och som kan kräva investeringar i miljardklassen. Verkningsgrad för ett solcellsystem (vid olika temperatur och solinstrålning), degradering, investeringskostnad för anläggningen (kostnad för övriga komponenter och installationsarbete har blivit allt större andel med sjunkande modulpriser, vilket gör det allt svårare för tekniker med lägre verkningsgrad än kristallina kiselsolceller), underhållskostnad (rengöring i torrt klimat) och livslängd är exempel på faktorer som avgör produktionskostnad per kWh.

        I nischtillämpningar kan andra faktorer än kostnad per kWh ge konkurrensfördelar, exempelvis färg eller transparens. Vid senaste PVSEC, världens största solcellskonferens, påpekade flera föredragshållare att kombination hög verkningsgrad och lågt pris är avgörande, det räcker inte att vara bra på det ena om man ska kunna konkurrera med kiselsolceller. Självfallet är även låg degradering viktig om man ska konkurrera med kiselsolceller, ett problem idag för en del av teknikerna inom ”emerging PV”.

  4. Hej! Jag ska täcka ett tak med solceller och vill, om ekonomiskt rimligt, maxa effekten genom att ha högsta möjliga verkningsgrad. Jag hittar dock inte den svenska återförsäljare av Sun Powers X21-345 som du nämner – vilka är de? Är de solceller från Panasonic som omnämns i senaste Ny Teknik (>24 %) tillgängliga än?

    tackar på förhand! Jennie

    • Direct Energy säljer Sun Power moduler. Räkna med ungefär dubbla modulkostnaden jämfört med “standardmoduler” med 15-16% modulverkningsgrad.

      Panasonics världsrekord på 24,7% gäller för en liten kristallin kiselsolcell i labbskala. Dels blir verkningsgraden för en modul lägre dels kan det ta flera till många år innan man når samma resultat i kommersiell massproduktionm, vilket sällan framgår i medias rapportering. Sun Power hade det gamla cellrekordet för kristallint kisel med 24,2%. Du behöver inte vänta på att Pansosonics rekordceller ska komma ut i kommersiell produktion,:-).

Kommentera

E-postadressen publiceras inte. Obligatoriska fält är märkta *