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Alta Devices: trovare una soluzione solare
Cercando di entrare in un mercato solare altamente competitivo, Alta Devices spera di utilizzare una combinazione di progressi tecnologici e capacità di produzione per avere successo dove molti altri si sono schiantati e bruciati. 21 febbraio 2012
Alta Devices è una startup piccola ma ben finanziata situata nello stesso anonimo edificio per uffici della Silicon Valley che un tempo fungeva da quartier generale di Solyndra, la famigerata azienda solare che è fallita l'anno scorso dopo aver bruciato centinaia di milioni di dollari in investimenti pubblici e di rischio . Non è ancora chiaro se la posizione abbia un cattivo karma, scherza il CEO di Alta, Christopher Norris. Ma Norris, un ex dirigente dell'industria dei semiconduttori e venture capitalist, sa che il destino della sua azienda dipenderà dalla sua capacità di navigare nel rischioso e costoso processo di potenziamento della sua nuova tecnologia, che secondo lui potrebbe produrre energia a un prezzo competitivo con impianti a combustibili fossili e molto più economici dei moduli solari odierni.
Su un tavolo nella sala conferenze di Alta, Norris dispone i campioni delle celle solari dell'azienda, cerotti neri flessibili incapsulati in plastica trasparente. Sembrano insignificanti, ma è perché l'ingrediente chiave è quasi invisibile: fogli microscopicamente sottili di arseniuro di gallio. Il semiconduttore è così bravo ad assorbire la luce solare e a trasformarla in elettricità che uno dei dispositivi di Alta, contenente uno strato attivo di arseniuro di gallio spesso solo un paio di micrometri, ha recentemente stabilito un record di efficienza fotovoltaica. Ma l'arsenuro di gallio è anche estremamente costoso da usare nelle celle solari e le sue pellicole sottili tendono ad essere fragili e difficili da fabbricare. In effetti, le innovazioni di Alta non consistono nella scelta del materiale - il semiconduttore è stato utilizzato per decenni nelle celle solari su satelliti e veicoli spaziali - ma nel capire come trasformarlo in moduli solari abbastanza economici da essere pratici per la maggior parte delle applicazioni.
Questa storia faceva parte del nostro numero di marzo 2012
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L'azienda, fondata nel 2007, si basa sul lavoro di due dei principali ricercatori accademici del mondo sui materiali fotonici. Uno di loro, Eli Yablonovitch, ora professore di ingegneria elettrica all'Università della California, Berkeley, ha sviluppato e brevettato una tecnica per creare pellicole ultrasottili di arseniuro di gallio negli anni '80, quando lavorava alla Bell Communications Research. L'altro, Harry Atwater, professore di fisica applicata e scienza dei materiali al Caltech, è un pioniere nell'uso di microstrutture e nanostrutture per migliorare la capacità dei materiali di intrappolare la luce e convertirla in elettricità. Andy Rappaport, un venture capitalist di August Capital, ha collaborato con i due scienziati per fondare Alta, reclutando il collega veterano della Silicon Valley Bill Joy come investitore e, con gli altri cofondatori, costruendo un team di gestione che includeva Norris. L'obiettivo: realizzare celle solari altamente efficienti e renderle più economiche di quelle basate sulla tecnologia al silicio esistente.
È a questo punto che molte startup solari hanno sbagliato, affrettandosi a sviluppare una tecnologia innovativa prima di comprenderne le sfide economiche e ingegneristiche. Invece, Alta ha trascorso i suoi primi anni in modalità invisibile, cercando di capire, come dice Norris, se il suo processo per produrre celle solari all'arseniuro di gallio fosse più di un esperimento scientifico e potesse servire come base praticabile per la produzione.
Potenza flessibile: Le celle solari di Alta possono essere trasformate in fogli pieghevoli. In questo esempio, una serie di celle solari è incapsulata in un materiale di copertura.
I resti dell'esperimento scientifico sono ancora visibili nel modesto laboratorio sul retro degli uffici di Alta. Piccole pentole di ceramica siedono su piastre elettriche, reliquie dei primi sforzi dell'azienda per ottimizzare la tecnica di sollevamento epitassiale di Yablonovitch, che utilizza acidi per separare con precisione sottili film di arseniuro di gallio dai wafer su cui sono cresciuti. Altrove nel laboratorio l'attrezzatura diventa progressivamente più grande e più sofisticata, riflettendo la crescita del processo. Vicino a una finestra di osservazione che consente ai potenziali investitori di sbirciare nel laboratorio senza indossare rivestimenti per camere bianche è uno dei gioielli degli sforzi di sviluppo dell'azienda: un lungo apparecchio in cui vengono elaborati lotti di campioni per creare le celle solari a film sottile . È una prova convincente che i primi lavori con pentole e piastre riscaldanti possono essere trasformati in un processo automatizzato in grado di ottenere i rendimenti necessari per la produzione nel mondo reale.
SOLLEVAMENTO SOLARE
Quando Bill Joy, cofondatore di Sun Microsystems e ora uno dei principali venture capitalist della Silicon Valley, ha visto per la prima volta il business plan per quella che sarebbe diventata Alta Devices, lui e i suoi colleghi di Kleiner Perkins Caufield & Byers erano già alla ricerca di pannelli solari a film sottile ad alta efficienza tecnologia. Joy tiene un elenco aggiornato, attualmente lungo da 12 a 15 articoli, di tecnologie desiderabili che crede di avere una ragionevole possibilità di trovare. Le celle solari che sono altamente efficienti nella conversione della luce solare e che possono essere realizzate a basso costo in fogli flessibili potrebbero fornire modi per ridurre drasticamente i costi complessivi dell'energia solare. La tecnologia dell'arseniuro di gallio era una scelta naturale per l'efficienza, ma l'economia di Alta era ciò che interessava davvero agli investitori. La loro competenza principale era come renderla producibile, afferma Joy, che è entrata a far parte di Rappaport come investitore nel giro di pochi mesi.
L'arseniuro di gallio è un materiale solare quasi ideale, per una serie di ragioni. Non solo assorbe molta più luce solare del silicio (i suoi sottili film catturano tanti fotoni quanto il silicio 100 volte più spesso), ma è meno sensibile al calore delle celle solari al silicio, le cui prestazioni diminuiscono drasticamente sopra i 25 °C. E l'arseniuro di gallio è migliore del silicio nel mantenere le sue capacità di produzione di elettricità in condizioni di luce relativamente scarsa, come la mattina presto o il tardo pomeriggio.
La chiave per ridurre i costi di produzione è la tecnica che Yablonovitch ha aiutato a capire decenni fa. Il semiconduttore può essere coltivato epitassialmente: quando strati sottili vengono depositati chimicamente su un substrato di arseniuro di gallio monocristallino, ciascuno adotta la stessa struttura monocristallina. Yablonovitch ha scoperto che se uno strato di arseniuro di alluminio è inserito tra gli strati, questo può essere selettivamente mangiato via con un acido e l'arseniuro di gallio sopra può essere staccato. Era un modo elegante e semplice per creare pellicole sottili del materiale. Ma il processo è stato anche problematico: le pellicole monocristalline si rompono facilmente e diventano inutili. Adattando il metodo di fabbricazione di Yablonovitch, i ricercatori di Alta hanno trovato il modo di creare pellicole robuste che non sono soggette a rotture. E non solo i film sottili utilizzano poco del materiale semiconduttore, ma il prezioso substrato di arseniuro di gallio può essere riutilizzato più volte, contribuendo a rendere il processo conveniente.
La ricerca degli scienziati fondatori di Alta ha anche portato a tecniche per aumentare le prestazioni delle celle solari. Il fotovoltaico funziona perché i fotoni che assorbono aumentano i livelli di energia degli elettroni nel semiconduttore, liberandoli per fluire verso i contatti metallici e creare una corrente. Ma gli elettroni vaganti possono essere sprecati in vari modi, ad esempio in calore. Nell'arseniuro di gallio, tuttavia, gli elettroni liberati si ricombinano frequentemente con lacune caricate positivamente per ricreare fotoni e ricominciare il processo. Il lavoro svolto da Yablonovitch e Atwater per spiegare questo processo ha aiutato Alta a progettare le celle per trarre vantaggio da questo riciclaggio di fotoni, offrendo molte possibilità di ricatturare i fotoni e trasformarli in elettricità.
Questo è il record di efficienza di Alta: le sue celle hanno convertito il 28,3 percento della luce solare in elettricità, mentre l'efficienza più alta per una cella solare al silicio è del 25 percento e i materiali solari a film sottile comunemente usati non superano il 20 percento. Yablonovitch suggerisce che Alta ha buone possibilità di superare il 30 percento di efficienza e avvicinarsi al limite teorico del 33,4 percento per le celle del suo tipo.
L'elevata efficienza, combinata con la capacità dell'arseniuro di gallio di funzionare a temperature relativamente elevate e in condizioni di scarsa illuminazione, significa che le celle possono produrre due o tre volte più energia in un anno rispetto a quelle convenzionali al silicio, afferma Norris. E questo, ovviamente, si traduce direttamente in prezzi più bassi per l'energia solare. Norris afferma che un'aspettativa non irragionevole è che la tecnologia dell'arseniuro di gallio potrebbe produrre un costo dell'energia livellato (una metrica di settore comunemente usata che include i costi di costruzione e gestione di una centrale elettrica) di sette centesimi per chilowattora. A un tale prezzo, afferma Norris, il solare sarebbe competitivo con i combustibili fossili, compreso il gas naturale; i nuovi impianti a gas generano elettricità per circa 10 centesimi per chilowattora. E supererebbe l'energia solare di oggi, che Norris dice costa circa 20 centesimi per chilowattora per generare.
Tali numeri sono allettanti. Ma Norris è pronto a tirarne fuori un altro: costa circa 1 miliardo di dollari costruire un impianto di produzione in grado di produrre abbastanza moduli solari per generare un gigawatt di energia, che è all'incirca la produzione di diverse centrali elettriche di medie dimensioni. Non vedo nessuno scenario in cui lo faremmo da soli, dice.
FANTASMA DI SOLYNDRA
La Silicon Valley è infatuata della tecnologia pulita dalla metà degli anni 2000, ma deve ancora capire qualcosa di cruciale: chi fornirà tutti i soldi necessari per aumentare le tecnologie energetiche e costruire fabbriche per produrle? Gli investitori di venture capital potrebbero essere abili nella scelta delle tecnologie, ma pochi di loro hanno le tasche profonde o la pazienza necessarie per competere in un'attività ad alta intensità di capitale come la produzione di moduli solari. Il crollo di Solyndra, che ha costruito una fabbrica da 733 milioni di dollari a Fremont, in California, è solo il più recente promemoria di ciò che può andare storto.
Il principale investitore di Alta, Andy Rappaport, afferma che di solito si tiene lontano dagli investimenti in tecnologie pulite, incluso il fotovoltaico. Molti investitori nel solare, suggerisce, hanno scommesso che una startup potrebbe abbassare i costi marginali di produzione e quindi conquistare una quota di mercato. Questa è una ricetta per il fallimento, dice, perché devi spendere centinaia di milioni per costruire una fabbrica prima di sapere se hai qualcosa di valore. La strategia è particolarmente rischiosa ora, perché il fotovoltaico sta diventando un settore merceologico sempre più competitivo ei prezzi continuano a precipitare, creando un obiettivo mobile per la nuova produzione. Ma piuttosto che cercare di creare valore costruendo capacità di produzione, dice Rappaport, Alta può trarre profitto dalla sua proprietà intellettuale: abbiamo detto semplicemente e coerentemente che possiamo scalare la capacità più velocemente e costruire un'azienda molto più forte sfruttando le partnership piuttosto che aumentare e spendere i nostri proprio capitale per costruire fabbriche.
Gli attuali investitori in Alta includono GE, Sumitomo e Dow Chemical, che ha recentemente introdotto scandole di copertura che incorporano il fotovoltaico a film sottile (vedi Possiamo costruire le scoperte di domani? gennaio/febbraio 2012) . Sebbene queste aziende abbiano investito in diversi round di finanziamento - Alta ha finora raccolto 120 milioni di dollari - alla fine Norris vorrebbe vedere accordi, come accordi di licenza o joint venture, in cui i produttori costruiscono la capacità di produrre le celle solari di Alta o utilizzano la tecnologia solare nei loro prodotti. Per fare ciò, dice, Alta deve prima ritirare il rischio della tecnologia di produzione, dimostrando ai potenziali partner che i moduli solari all'arseniuro di gallio possono effettivamente essere prodotti in modo economicamente competitivo.
A meno di un miglio dal suo quartier generale, Alta sta sventrando e ristrutturando un edificio in cui Netflix immagazzinava i DVD, trasformandolo in una struttura pilota da 40 milioni di dollari per testare le sue apparecchiature. Sebbene la struttura sia molto più piccola di una fabbrica solare commerciale, non è ancora un'impresa piccola o poco costosa. Norris osserva con cautela le nuove colonne necessarie per rinforzare il tetto, che dovrà contenere una pesante ventilazione e attrezzature per il controllo delle emissioni. Ma l'amministratore delegato di Alta diventa più esuberante mentre si avvicina alla sezione posteriore quasi completata della struttura. Lì, in diverse stanze bianche, ci sono le grandi versioni progettate su misura dell'apparato di laboratorio utilizzato per realizzare le celle solari.
Il successo di Alta dipenderà principalmente dal rendimento di queste invenzioni manifatturiere. Il costo dell'impianto pilota potrebbe impallidire rispetto al prezzo di una fabbrica solare su scala commerciale, ma è ancora un investimento fondamentale per l'avvio. E anche se Alta è impegnata a far funzionare la struttura entro la fine dell'anno, afferma Norris, sta adottando un approccio deliberato e metodico al processo di espansione. Ciò contrasta nettamente con le precedenti startup solari che hanno speso centinaia di milioni in investimenti di rischio per costruire fabbriche il più velocemente possibile. Ma l'approccio cauto di Alta non deve essere confuso con la mancanza di ambizione. L'obiettivo, afferma Norris, è rendere questa tecnologia fondamentale e trasformativa.
David Rotman è Revisione della tecnologia l'editore.