De meeste zonnepanelen die tegenwoordig de daken, velden en woestijnen van de wereld bedekken, hebben hetzelfde ingrediënt: kristallijn silicium. Het materiaal, gemaakt van ruw polysilicium, wordt tot wafels gevormd en aangesloten op zonnecellen, apparaten die zonlicht omzetten in elektriciteit. De laatste tijd is de afhankelijkheid van de industrie van deze unieke technologie een soort probleem geworden. Knelpunten in de toeleveringsketenzijn aan het vertragennieuwe zonne-installaties wereldwijd. Grote leveranciers van polysilicium in de Chinese regio Xinjiang –beschuldigd van het gebruik van dwangarbeid van Oeigoeren– worden geconfronteerd met Amerikaanse handelssancties.
Gelukkig is kristallijn silicium niet het enige materiaal dat kan helpen de energie van de zon te benutten. In de Verenigde Staten werken wetenschappers en fabrikanten aan de uitbreiding van de productie van cadmiumtelluride-zonnetechnologie. Cadmiumtelluride is een soort 'dunne-film'-zonnecel en, zoals de naam al doet vermoeden, veel dunner dan een traditionele siliciumcel. Tegenwoordig worden panelen gebruikt met cadmiumtellurideaanbod ongeveer 40 procentvan de Amerikaanse markt voor nutsvoorzieningen, en ongeveer 5 procent van de mondiale markt voor zonne-energie. En zij zullen profiteren van de tegenwind waarmee de bredere zonne-energiesector wordt geconfronteerd.
"Het is een zeer volatiele tijd, vooral voor de toeleveringsketen van kristallijn silicium in het algemeen", zegt Kelsey Goss, zonne-onderzoeksanalist voor de energieadviesgroep Wood Mackenzie. "Er is een groot potentieel voor fabrikanten van cadmiumtelluride om het komende jaar meer marktaandeel te veroveren." Vooral omdat de cadmiumtelluridesector al aan het opschalen is, merkte ze op.
In juni zei de zonnefabrikant First Solar van welinvesteer $ 680 miljoenin een derde cadmiumtelluride-zonnefabriek in het noordwesten van Ohio. Als de faciliteit klaar is, in 2025, zal het bedrijf in het gebied voor 6 gigawatt aan zonnepanelen kunnen produceren. Dat is genoeg om ongeveer 1 miljoen Amerikaanse huizen van stroom te voorzien. Een ander in Ohio gevestigd zonne-energiebedrijf, Toledo Solar, is onlangs op de markt gekomen en maakt cadmiumtelluridepanelen voor daken van woningen. En in juni hebben het Amerikaanse ministerie van Energie en zijn National Renewable Energy Laboratory (NREL)lanceerde een programma van $ 20 miljoenom het onderzoek te versnellen en de toeleveringsketen voor cadmiumtelluride te laten groeien. Eén van de doelstellingen van het programma is om de Amerikaanse markt voor zonne-energie te helpen isoleren van mondiale aanbodbeperkingen.
Onderzoekers van NREL en First Solar, voorheen Solar Cell Inc. genaamd, werken sinds het begin van de jaren negentig samen aan de ontwikkeling vancadmiumtelluride-technologie. Cadmium en telluride zijn bijproducten van respectievelijk het smelten van zinkerts en het raffineren van koper. Terwijl siliciumwafels met elkaar worden verbonden om cellen te maken, worden cadmium en telluride als een dunne laag – ongeveer een tiende van de diameter van een mensenhaar – op een ruit aangebracht, samen met andere elektriciteitsgeleidende materialen. First Solar, nu 's werelds grootste dunnefilmfabrikant, heeft panelen geleverd voor zonne-installaties in 45 landen.
De technologie heeft bepaalde voordelen ten opzichte van kristallijn silicium, zegt NREL-wetenschapper Lorelle Mansfield. Het dunnefilmproces vereist bijvoorbeeld minder materialen dan de op wafers gebaseerde aanpak. Dunnefilmtechnologie is ook zeer geschikt voor gebruik in flexibele panelen, zoals die over rugzakken of drones of die zijn geïntegreerd in gevels en ramen van gebouwen. Belangrijk is dat de dunne-filmpanelen beter presteren bij hoge temperaturen, terwijl siliciumpanelen oververhit kunnen raken en minder efficiënt kunnen worden in het opwekken van elektriciteit, zei ze.
Maar kristallijn silicium heeft de overhand op andere gebieden, zoals hun gemiddelde efficiëntie – dat wil zeggen het percentage zonlicht dat panelen absorberen en omzetten in elektriciteit. Historisch gezien hebben siliciumpanelen een hogere efficiëntie gehad dan de cadmiumtelluridetechnologie, hoewel de kloof steeds kleiner wordt. De huidige industrieel geproduceerde siliciumpanelen kunnen efficiënties bereiken van18 tot 22 procent, terwijl First Solar een gemiddelde efficiëntie van 18 procent heeft gerapporteerd voor zijn nieuwste commerciële panelen.
Toch is de belangrijkste reden dat silicium de wereldmarkt domineert relatief eenvoudig. "Het komt allemaal neer op de kosten", zei Goss. “De markt voor zonne-energie wordt doorgaans sterk gedreven door de goedkoopste technologie.”
Kristallijn silicium kost ongeveer $0,24 tot $0,25 om elke watt zonne-energie te produceren, wat minder is dan andere kanshebbers, zei ze. First Solar zei dat het niet langer de kosten per watt voor de productie van zijn cadmiumtelluridepanelen rapporteert, alleen dat de kosten “aanzienlijk zijn gedaald” sinds 2015 – toen het bedrijfgerapporteerde kosten van $ 0,46 per watt– en elk jaar blijven dalen. Er zijn een paar redenen voor de relatieve goedkoopheid van silicium. De grondstof polysilicium, die ook in computers en smartphones wordt gebruikt, is breder verkrijgbaar en goedkoper dan de voorraden cadmium en telluride. Naarmate fabrieken voor siliciumpanelen en aanverwante componenten zijn opgeschaald, zijn de totale kosten voor het maken en installeren van de technologie gedaald. De Chinese overheid heeft ook zwaar te lijden gehadondersteund en gesubsidieerdde siliciumzonnesector van het land – zozeer zelfsongeveer 80 procentvan de toeleveringsketen voor de productie van zonne-energie ter wereld loopt nu door China.
Dalende paneelkosten hebben de wereldwijde hausse op het gebied van zonne-energie veroorzaakt. De afgelopen tien jaar is de totale geïnstalleerde zonnecapaciteit in de wereld bijna vertienvoudigd, van ongeveer 74.000 megawatt in 2011 tot bijna 714.000 megawatt in 2020.volgenshet Internationale Agentschap voor Hernieuwbare Energie. De Verenigde Staten zijn goed voor ongeveer een zevende van het wereldtotaal, en zonne-energie is dat nu ookeen van de grootste bronnenvan nieuwe elektriciteitscapaciteit die elk jaar in de VS wordt geïnstalleerd.
De kosten per watt van cadmiumtelluride en andere dunne-filmtechnologieën zullen naar verwachting eveneens dalen naarmate de productie toeneemt. (zegt First Solar(dat wanneer de nieuwe vestiging in Ohio wordt geopend, het bedrijf de laagste kosten per watt op de gehele zonne-energiemarkt zal bieden.) Maar de kosten zijn niet de enige maatstaf die ertoe doet, zoals de huidige problemen met de toeleveringsketen en de arbeidsomstandigheden in de sector duidelijk maken.
Mark Widmar, CEO van First Solar, zei dat de geplande uitbreiding van het bedrijf ter waarde van 680 miljoen dollar deel uitmaakt van een grotere inspanning om een zelfvoorzienende toeleveringsketen op te bouwen en de Amerikaanse zonne-energie-industrie te ‘loskoppelen’ van China. Hoewel cadmiumtelluridepanelen geen polysilicium gebruiken, heeft First Solar andere uitdagingen ervaren waarmee de sector wordt geconfronteerd, zoals door pandemieën veroorzaakte achterstanden in de maritieme scheepvaartsector. In april vertelde First Solar aan investeerders dat de congestie in Amerikaanse havens de verzending van panelen vanuit zijn faciliteiten in Azië tegenhield. Door de Amerikaanse productie te verhogen zal het bedrijf wegen en spoorwegen kunnen gebruiken om zijn panelen te vervoeren, en geen vrachtschepen, aldus Widmar. En dankzij het bestaande recyclingprogramma van het bedrijf voor zijn zonnepanelen kan het materialen vele malen hergebruiken, waardoor de afhankelijkheid van buitenlandse toeleveringsketens en grondstoffen verder wordt verminderd.
Terwijl First Solar panelen produceert, blijven wetenschappers van zowel het bedrijf als NREL de cadmiumtelluridetechnologie testen en verbeteren. In 2019 de partnerseen nieuwe aanpak ontwikkelddat houdt in dat de dunne-filmmaterialen worden "gedoteerd" met koper en chloor om een nog hogere efficiëntie te bereiken. Eerder deze maand NRELmaakte de uitslag bekendvan een 25 jaar durende veldtest in zijn buitenfaciliteit in Golden, Colorado. Een reeks cadmiumtelluridepanelen met twaalf panelen werkte op 88 procent van de oorspronkelijke efficiëntie, een sterk resultaat voor een paneel dat al meer dan twintig jaar buiten heeft gestaan. De degradatie “komt overeen met wat siliciumsystemen doen”, aldus de NREL-release.
Mansfield, de NREL-wetenschapper, zei dat het doel niet is om kristallijn silicium te vervangen door cadmiumtelluride of om de ene technologie als superieur aan de andere te vestigen. "Ik denk dat er voor hen allemaal een plaats op de markt is, en ze hebben allemaal hun toepassingen", zei ze. “We willen dat alle energie naar hernieuwbare bronnen gaat, dus we hebben echt al deze verschillende soorten technologie nodig om die uitdaging aan te gaan.”
Posttijd: 17 september 2021