Material som kallas perovskiter visar stor potential för en ny generation solceller, men de har haft problem med att få fäste på en marknad som domineras av kiselbaserade solceller. Nu, en studie av forskare vid MIT och på andra håll skisserar en färdplan för hur denna lovande teknik skulle kunna flytta från laboratoriet till en betydande plats på den globala solenergimarknaden.

Den "teknoekonomiska" analysen visar att genom att börja med nischmarknader med högre värde och gradvis expandera, Tillverkare av solpaneler skulle kunna undvika de mycket höga initiala kapitalkostnader som skulle krävas för att göra perovskitbaserade paneler direkt konkurrenskraftiga med kisel för installationer i stor skala i bruksskala från början. Istället för att göra en oöverkomligt dyr initial investering, hundratals miljoner eller till och med miljarder dollar, att bygga en anläggning för produktion i nyttoskala, teamet fann att att börja med mer specialiserade applikationer kunde åstadkommas för mer realistiska initiala kapitalinvesteringar i storleksordningen 40 miljoner dollar.

Resultaten beskrivs i en artikel i tidskriften Joule av MIT postdoc Ian Mathews, forskaren Marius Peters, professor i maskinteknik Tonio Buonassisi, och fem andra på MIT, Wellesley College, och Swift Solar Inc.

Solceller baserade på perovskiter - en bred kategori av föreningar som kännetecknas av ett visst arrangemang av sin molekylära struktur - skulle kunna ge dramatiska förbättringar i solcellsinstallationer. Deras ingående material är billiga, och de skulle kunna tillverkas i en rulle-till-rulle-process som att trycka en tidning, och tryckt på lätt och flexibelt underlagsmaterial. Detta kan avsevärt minska kostnaderna för transport och installation, även om de fortfarande kräver ytterligare arbete för att förbättra sin hållbarhet. Andra lovande nya solcellsmaterial är också under utveckling i laboratorier runt om i världen, men ingen har ännu gjort inbrytningar på marknaden.

"Det har lanserats många nya solcellsmaterial och företag under åren, säger Mathews, "och ändå, trots att, kisel är fortfarande det dominerande materialet i branschen och har varit det i decennier."

Varför är det så? "Människor har alltid sagt att en av de saker som håller tillbaka ny teknik är att kostnaden för att bygga stora fabriker för att faktiskt producera dessa system i stor skala är alldeles för mycket, " säger han. "Det är svårt för en startup att korsa det som kallas 'dödens dal', ' att samla in de tiotals miljoner dollar som krävs för att komma till den skala där denna teknik kan vara lönsam i den bredare solenergiindustrin."

Men det finns en mängd mer specialiserade solcellstillämpningar där de speciella egenskaperna hos perovskitbaserade solceller, som deras låga vikt, flexibilitet, och potential för transparens, skulle ge en betydande fördel, säger Mathews. Genom att inledningsvis fokusera på dessa marknader, ett nystartat solcellsföretag skulle kunna byggas upp för att skala gradvis, utnyttja vinsten från premiumprodukterna för att utöka sin produktionskapacitet över tid.

Beskriver litteraturen om perovskitbaserade solceller som utvecklas i olika laboratorier, han säger, "De hävdar mycket låga kostnader. Men de hävdar det när din fabrik når en viss skala. Och jag tänkte, vi har sett det här förut – folk hävdar att ett nytt solcellsmaterial kommer att vara billigare än alla andra och bättre än alla andra. Toppen, förutom att vi måste ha en plan för hur vi faktiskt får materialet och tekniken att skala."

Som utgångspunkt, han säger, "Vi tog det tillvägagångssätt som jag inte riktigt har sett någon annan ta:Låt oss faktiskt modellera kostnaden för att tillverka dessa moduler som en funktion av skalan. Så om du bara har 10 personer i en liten fabrik, hur mycket behöver du sälja dina solpaneler för för att vara lönsam? Och när du väl når skala, hur billig blir din produkt?"

Analysen bekräftade att ett försök att ta sig direkt in på marknaden för solcellsinstallationer på taket eller i energiskala skulle kräva mycket stora kapitalinvesteringar i förväg, han säger. Men "vi tittade på de priser som folk kan få på sakers internet, eller marknaden för byggnadsintegrerade solceller. Människor betalar vanligtvis ett högre pris på dessa marknader eftersom de är mer av en specialiserad produkt. De kommer att betala lite mer om din produkt är flexibel eller om modulen passar in i ett byggnadsskal." Andra potentiella nischmarknader inkluderar självdrivna mikroelektronikenheter.

Sådana tillämpningar skulle göra inträdet på marknaden genomförbart utan att kräva stora kapitalinvesteringar. "Om du gör det, det belopp du behöver för att investera i ditt företag är mycket, mycket mindre, i storleksordningen några miljoner dollar istället för tiotals eller hundratals miljoner dollar, och som gör att du snabbare kan utveckla ett lönsamt företag, " han säger.

"Det är ett sätt för dem att bevisa sin teknik, både tekniskt och genom att faktiskt bygga och sälja en produkt och se till att den överlever i fält, " Mathews säger, "och även, bara för att bevisa att du kan tillverka till ett visst pris."

Redan, det finns en handfull nystartade företag som arbetar för att försöka få ut perovskite-solceller på marknaden, han påpekar, även om ingen av dem ännu har en verklig produkt till salu. Företagen har tagit olika tillvägagångssätt, och vissa verkar börja på den typ av steg-för-steg-tillväxtstrategi som beskrivs i denna forskning, han säger. "Förmodligen det företag som har samlat in mest pengar är ett företag som heter Oxford PV, och de tittar på tandemceller, " som innehåller både kisel- och perovskitceller för att förbättra den totala effektiviteten. Ett annat företag är ett som startades av Joel Jean Ph.D. '17 (som också är medförfattare till denna artikel) och andra, kallas Swift Solar, som arbetar med flexibla perovskites. Och det finns ett företag som heter Saule Technologies, arbetar med utskrivbara perovskites.

Mathews säger att den typ av teknoekonomisk analys som laget använde i sin studie skulle kunna tillämpas på en mängd andra nya energirelaterade teknologier, inklusive uppladdningsbara batterier och andra lagringssystem, eller andra typer av nya solcellsmaterial.

"Det finns många vetenskapliga artiklar och akademiska studier som tittar på hur mycket det kommer att kosta att tillverka en teknik när den väl är i skala, " säger han. "Men väldigt få människor tittar faktiskt på hur mycket det kostar i mycket liten skala, och vilka är de faktorer som påverkar stordriftsfördelar? Och jag tror att det kan göras för många tekniker, och det skulle hjälpa oss att påskynda hur vi får innovationer från labb till marknad."

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.