Kostnaderna för solpaneler har rasat under de senaste åren, vilket ledde till att solenergiinstallationer var mycket högre än de flesta analytiker hade förväntat sig. Men med de flesta av de potentiella områdena för kostnadsbesparingar redan drivna till det yttersta, ytterligare kostnadsminskningar blir mer utmanande att hitta.

Nu, forskare vid MIT och vid National Renewable Energy Laboratory (NREL) har skisserat en väg för att minska kostnaderna ytterligare, denna gång genom att banta själva kiselcellerna.

Tunnare kiselceller har utforskats tidigare, särskilt för ett dussin år sedan när kostnaden för kisel toppade på grund av brist på tillgång. Men detta tillvägagångssätt led av vissa svårigheter:de tunna kiselskivorna var för spröda och ömtåliga, leder till oacceptabla nivåer av förluster under tillverkningsprocessen, och de hade lägre effektivitet. Forskarna säger att det nu finns sätt att börja ta itu med dessa utmaningar genom att använda bättre hanteringsutrustning och några nyare utvecklingar inom solcellsarkitektur.

De nya rönen beskrivs i en artikel i tidskriften Energi- och miljövetenskap , medförfattare av MIT postdoc Zhe Liu, professor i maskinteknik Tonio Buonassisi, och fem andra vid MIT och NREL.

Forskarna beskriver deras tillvägagångssätt som "technoeconomic, " och betonar att ekonomiska överväganden vid denna tidpunkt är lika avgörande som de tekniska för att uppnå ytterligare förbättringar av överkomliga priser för solpaneler.

För närvarande, 90 procent av världens solpaneler är gjorda av kristallint kisel, och branschen fortsätter att växa med cirka 30 procent per år, säger forskarna. Dagens fotovoltaiska kiselceller, hjärtat av dessa solpaneler, är gjorda av wafers av kisel som är 160 mikrometer tjocka, men med förbättrade hanteringsmetoder, forskarna föreslår att detta kan rakas ner till 100 mikrometer - och så småningom så lite som 40 mikrometer eller mindre, vilket bara skulle kräva en fjärdedel så mycket kisel för en given panelstorlek.

Det kan inte bara minska kostnaderna för de enskilda panelerna, de säger, men ännu viktigare kan det möjliggöra snabb expansion av solpanelstillverkningskapaciteten. Det beror på att expansionen kan begränsas av gränser för hur snabbt nya anläggningar kan byggas för att producera kiselkristalltackorna som sedan skivas som salami för att göra wafers. Dessa växter, som i allmänhet är åtskilda från själva solcellstillverkningsanläggningarna, tenderar att vara kapitalkrävande och tidskrävande att bygga, vilket skulle kunna leda till en flaskhals i expansionstakten för solpanelstillverkningen. Att minska wafertjockleken kan potentiellt lindra det problemet, säger forskarna.

Studien tittade på effektivitetsnivåerna för fyra varianter av solcellsarkitektur, inklusive PERC-celler (passiverade sändare och bakre kontakt) och andra avancerade högeffektiva teknologier, jämföra deras uteffekter vid olika tjockleksnivåer. Teamet fann att det faktiskt var liten nedgång i prestanda ner till så låga tjocklekar som 40 mikrometer, med hjälp av dagens förbättrade tillverkningsprocesser.

"Vi ser att det finns det här området (av graferna över effektivitet kontra tjocklek) där effektiviteten är platt, "Liu säger, "och så det är regionen där du potentiellt kan spara lite pengar." På grund av dessa framsteg inom cellarkitekturen, han säger, "vi började verkligen se att det var dags att se över kostnadsfördelarna igen."

Att byta över de enorma paneltillverkningsanläggningarna för att anpassa sig till de tunnare skivorna kommer att vara en tidskrävande och dyr process, men analysen visar att fördelarna vida kan uppväga kostnaderna, säger Liu. Det kommer att ta tid att utveckla nödvändig utrustning och procedurer för att tillåta det tunnare materialet, men med befintlig teknik, han säger, "det borde vara relativt enkelt att gå ner till 100 mikrometer, " vilket redan skulle ge några betydande besparingar. Ytterligare förbättringar av teknologin, såsom bättre upptäckt av mikrosprickor innan de växer kan hjälpa till att minska tjockleken ytterligare.

I framtiden, tjockleken kan eventuellt minskas till så lite som 15 mikrometer, han säger. Ny teknik som odlar tunna skivor av kiselkristall direkt istället för att skära dem från en större cylinder kan hjälpa till att möjliggöra en sådan ytterligare förtunning, han säger.

Utvecklingen av tunn kisel har fått lite uppmärksamhet de senaste åren eftersom priset på kisel har sjunkit från sin tidigare topp. Men, på grund av kostnadsminskningar som redan har skett i solcellseffektivitet och andra delar av tillverkningsprocessen och leveranskedjan för solpaneler, kostnaden för kisel är återigen en faktor som kan göra skillnad, han säger.

"Effektiviteten kan bara öka med några få procent. Så om du vill få ytterligare förbättringar, tjocklek är vägen att gå, " säger Buonassisi. Men omvandlingen kommer att kräva stora kapitalinvesteringar för fullskalig utbyggnad.

Syftet med denna studie, han säger, är att tillhandahålla en färdplan för dem som kanske planerar expansion inom solenergitillverkningsteknik. Genom att göra vägen "konkret och påtaglig, " han säger, det kan hjälpa företag att införliva detta i sin planering. "Det finns en väg, " säger han. "Det är inte lätt, men det finns en väg. Och för de första flyttarna, fördelen är betydande."

Vad kan krävas, han säger, är för de olika nyckelaktörerna i branschen att gå samman och lägga fram en specifik uppsättning steg framåt och överenskomna standarder, som den integrerade kretsindustrin gjorde tidigt för att möjliggöra den explosiva tillväxten av den industrin. "Det skulle verkligen vara transformerande, " han säger.

Andre Augusto, en associerad forskare vid Arizona State University som inte var kopplad till denna forskning, säger "raffinering av kisel och wafer tillverkning är den mest kapitalkostnad (capex) krävande delen av processen för tillverkning av solpaneler. Så i ett scenario med snabb expansion, wafertillförseln kan bli ett problem. Att gå tunt löser delvis detta problem eftersom du kan tillverka fler wafers per maskin utan att öka kapexen avsevärt." Han tillägger att "tunnare wafers kan ge prestandafördelar i vissa klimat, "presterar bättre under varmare förhållanden.

Analytiker för förnybar energi Gregory Wilson på Gregory Wilson Consulting, som inte var förknippad med detta arbete, säger "Effekten av att minska mängden kisel som används i vanliga celler skulle vara mycket betydande, som tidningen påpekar. Den mest uppenbara vinsten ligger i den totala mängd kapital som krävs för att skala solcellsindustrin till den multiterawattskala som krävs av klimatförändringsproblemet. En annan fördel är den mängd energi som krävs för att producera PV-paneler av kisel. Detta beror på att polykiselproduktionen och göttillväxtprocesserna som krävs för produktion av högeffektiva celler är mycket energikrävande."

Wilson tillägger "Större PV-cell- och modultillverkare behöver höra från trovärdiga grupper som Prof. Buonassisis vid MIT, eftersom de kommer att göra denna förändring när de tydligt kan se de ekonomiska fördelarna."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.