211service.com
Alta Devices: Finding a Solar Solution
Buscando ingresar a un mercado solar altamente competitivo, Alta Devices espera usar una combinación de avances tecnológicos y habilidad en la fabricación para tener éxito donde muchos otros se han estrellado y quemado. 21 de febrero de 2012
Alta Devices es una startup pequeña pero bien financiada ubicada en el mismo edificio de oficinas anodino de Silicon Valley que alguna vez sirvió como sede de Solyndra, la infame compañía solar que quebró el año pasado después de gastar cientos de millones de dólares en inversiones públicas y de riesgo. . Aún no está claro si la ubicación tiene mal karma, bromea el director ejecutivo de Alta, Christopher Norris. Pero Norris, un ex ejecutivo de la industria de semiconductores y capitalista de riesgo, sabe que el destino de su empresa dependerá de su capacidad para navegar por el proceso arriesgado y costoso de ampliar su nueva tecnología, que cree que podría producir energía a un precio competitivo. con plantas de combustibles fósiles y mucho más barato que los módulos solares actuales.
En una mesa de la sala de conferencias de Alta, Norris coloca muestras de las células solares de la empresa, parches negros flexibles encapsulados en plástico transparente. Parecen normales, pero eso se debe a que el ingrediente clave es casi invisible: láminas microscópicamente delgadas de arseniuro de galio. El semiconductor es tan bueno para absorber la luz solar y convertirla en electricidad que uno de los dispositivos de Alta, que contiene una capa activa de arseniuro de galio de solo un par de micrómetros de espesor, estableció recientemente un récord de eficiencia fotovoltaica. Pero el arseniuro de galio también es extremadamente caro de usar en células solares, y sus películas delgadas tienden a ser frágiles y difíciles de fabricar. De hecho, las innovaciones de Alta no radican en elegir el material (el semiconductor se ha utilizado en células solares en satélites y naves espaciales durante décadas) sino en descubrir cómo convertirlo en módulos solares lo suficientemente baratos como para ser prácticos para la mayoría de las aplicaciones.
Esta historia fue parte de nuestro número de marzo de 2012
- Ver el resto del número
- Suscribir
La empresa, que fue fundada en 2007, se basa en el trabajo de dos de los investigadores académicos más importantes del mundo en materiales fotónicos. Uno de ellos, Eli Yablonovitch, ahora profesor de ingeniería eléctrica en la Universidad de California, Berkeley, desarrolló y patentó una técnica para crear películas ultrafinas de arseniuro de galio en la década de 1980, cuando trabajaba en Bell Communications Research. El otro, Harry Atwater, profesor de física aplicada y ciencia de los materiales en Caltech, es un pionero en el uso de microestructuras y nanoestructuras para mejorar la capacidad de los materiales para atrapar la luz y convertirla en electricidad. Andy Rappaport, un capitalista de riesgo de August Capital, se asoció con los dos científicos para fundar Alta, reclutando al veterano de Silicon Valley Bill Joy como inversor y, con los otros cofundadores, formando un equipo de gestión que incluía a Norris. El objetivo: fabricar células solares altamente eficientes y hacerlas más económicas que las que se basan en la tecnología de silicio existente.
Es en este punto que muchas nuevas empresas solares han fallado, apresurándose a escalar una tecnología innovadora antes de comprender sus desafíos económicos y de ingeniería. En cambio, Alta pasó sus primeros años en modo sigiloso, tratando silenciosamente de averiguar, como dice Norris, si su proceso para fabricar células solares de arseniuro de galio era más que un experimento científico y podría servir como una base viable para la fabricación.
Poder flexible: Las células solares de Alta se pueden convertir en láminas flexibles. En esta muestra, una serie de células solares están encapsuladas en un material para techos.
Los restos del experimento científico aún son visibles en el modesto laboratorio en la parte trasera de las oficinas de Alta. Pequeñas ollas de cerámica se colocan sobre placas eléctricas, reliquias de los primeros esfuerzos de la compañía para optimizar la técnica de despegue epitaxial de Yablonovitch, que utiliza ácidos para separar con precisión películas delgadas de arseniuro de galio de las obleas en las que se cultivan. En otras partes del laboratorio, el equipo se vuelve cada vez más grande y sofisticado, lo que refleja la ampliación del proceso. Cerca de una ventana de visualización que permite a los inversores potenciales mirar dentro del laboratorio sin ponerse cubiertas de sala limpia, se encuentra una de las joyas de los esfuerzos de desarrollo de la empresa: un equipo largo en el que se procesan lotes de muestras para crear las células solares de película delgada. . Es una prueba convincente de que el trabajo inicial con ollas y placas calientes se puede transformar en un proceso automatizado capaz de obtener los rendimientos necesarios para la fabricación en el mundo real.
SALIDA SOLAR
Cuando Bill Joy, cofundador de Sun Microsystems y ahora un destacado capitalista de riesgo de Silicon Valley, vio por primera vez el plan de negocios para lo que se convirtió en Alta Devices, él y sus colegas de Kleiner Perkins Caufield & Byers ya estaban buscando energía solar de película delgada de alta eficiencia. tecnología. Joy mantiene una lista actualizada —actualmente de 12 a 15 elementos— de tecnologías deseables que cree que tiene una probabilidad razonable de encontrar. Las células solares que son altamente eficientes para convertir la luz solar y que se pueden fabricar de forma económica en láminas flexibles podrían proporcionar formas de reducir drásticamente los costos generales de la energía solar. La tecnología de arseniuro de galio era una opción natural para la eficiencia, pero la economía de Alta era lo que realmente interesaba a los inversores. Su competencia principal era cómo hacer que se pudiera fabricar, dice Joy, quien se unió a Rappaport como inversionista en unos pocos meses.
El arseniuro de galio es un material solar casi ideal, por varias razones. No solo absorbe mucha más luz solar que el silicio (películas delgadas capturan tantos fotones como el silicio 100 veces más gruesas), sino que es menos sensible al calor que las células solares de silicio, cuyo rendimiento disminuye drásticamente por encima de los 25 ° C. Y el arseniuro de galio es mejor que el silicio para retener su capacidad de producir electricidad en condiciones de luz relativamente baja, como temprano en la mañana o al final de la tarde.
La clave para reducir sus costos de fabricación es la técnica que Yablonovitch ayudó a descubrir hace décadas. El semiconductor se puede cultivar epitaxialmente: cuando se depositan químicamente capas delgadas sobre un sustrato de arseniuro de galio monocristalino, cada una adopta la misma estructura monocristalina. Yablonovitch descubrió que si se intercala una capa de arseniuro de aluminio entre las capas, esta se puede comer selectivamente con un ácido, y el arseniuro de galio de arriba puede desprenderse. Era una forma elegante y sencilla de crear películas delgadas del material. Pero el proceso también fue problemático: las películas monocristalinas se agrietan fácilmente y se vuelven inútiles. Al adaptar el método de fabricación de Yablonovitch, los investigadores de Alta han encontrado formas de crear películas resistentes que no son propensas a agrietarse. Y las películas delgadas no solo usan poco material semiconductor, sino que el valioso sustrato de arseniuro de galio se puede reutilizar varias veces, lo que ayuda a que el proceso sea asequible.
La investigación de los científicos fundadores de Alta también ha llevado a técnicas para aumentar el rendimiento de las células solares. La energía fotovoltaica funciona porque los fotones que absorben aumentan los niveles de energía de los electrones en el semiconductor, liberándolos para que fluyan a los contactos metálicos y creen una corriente. Pero los electrones itinerantes se pueden desperdiciar de diversas formas, como por ejemplo en el calor. En el arseniuro de galio, sin embargo, los electrones liberados frecuentemente se recombinan con huecos cargados positivamente para recrear fotones y comenzar el proceso de nuevo. El trabajo realizado por Yablonovitch y Atwater para explicar este proceso ha ayudado a Alta a diseñar células para aprovechar este reciclaje de fotones, brindando muchas oportunidades de recapturar fotones y convertirlos en electricidad.
Por lo tanto, el récord de eficiencia de Alta: sus células han convertido el 28,3 por ciento de la luz solar en electricidad, mientras que la eficiencia más alta para una célula solar de silicio es del 25 por ciento, y los materiales solares de película delgada de uso común no superan el 20 por ciento. Yablonovitch sugiere que Alta tiene una buena probabilidad de romper con el tiempo el 30 por ciento de eficiencia y acercarse al límite teórico del 33,4 por ciento para las células de su tipo.
La alta eficiencia, combinada con la capacidad del arseniuro de galio para funcionar a temperaturas relativamente altas y con poca luz, significa que las células pueden producir dos o tres veces más energía durante un año que las de silicio convencionales, dice Norris. Y eso, por supuesto, se traduce directamente en precios más bajos para la energía solar. Norris dice que una expectativa razonable es que la tecnología de arseniuro de galio podría producir un costo nivelado de la energía (una métrica comúnmente utilizada en la industria que incluye los costos de por vida de la construcción y operación de una planta de energía) de siete centavos por kilovatio-hora. A ese precio, dice Norris, la energía solar sería competitiva con los combustibles fósiles, incluido el gas natural; Las nuevas plantas de gas generan electricidad por alrededor de 10 centavos el kilovatio-hora. Y derrotaría a la energía solar actual, cuya generación, según Norris, cuesta alrededor de 20 centavos de dólar por kilovatio-hora.
Tales números son tentadores. Pero Norris se apresura a mencionar otro: cuesta aproximadamente mil millones de dólares construir una instalación de fabricación capaz de producir suficientes módulos solares para generar un gigavatio de energía, que es aproximadamente la producción de varias centrales eléctricas de tamaño mediano. No veo ningún escenario en el que podamos hacer esto por nuestra cuenta, dice.
FANTASMA DE SOLYNDRA
Silicon Valley ha estado enamorado de la tecnología limpia desde mediados de la década de 2000, pero aún tiene que descubrir algo crucial: ¿quién proporcionará todo el dinero necesario para ampliar las tecnologías energéticas y construir fábricas para fabricarlas? Los inversores de riesgo pueden ser expertos en elegir tecnologías, pero pocos de ellos tienen los bolsillos profundos o la paciencia necesarios para competir en un negocio de capital intensivo como la fabricación de módulos solares. El colapso de Solyndra, que construyó una fábrica de $ 733 millones en Fremont, California, es solo el recordatorio más reciente de lo que puede salir mal.
El inversor principal de Alta, Andy Rappaport, dice que por lo general se mantiene alejado de las inversiones en tecnología limpia, incluida la fotovoltaica. Muchos inversores en energía solar, sugiere, han apostado a que una startup podría reducir los costos marginales de fabricación y, por lo tanto, capturar parte de la participación de mercado. Esa es una receta para el fracaso, dice, porque necesitas gastar cientos de millones para construir una fábrica antes de saber si tienes algo de valor. La estrategia es especialmente arriesgada ahora, porque la energía fotovoltaica se está convirtiendo en un negocio de materias primas cada vez más competitivo y los precios continúan cayendo en picado, creando un objetivo móvil para la nueva producción. Pero en lugar de intentar crear valor mediante el desarrollo de la capacidad de fabricación, dice Rappaport, Alta puede beneficiarse de su propiedad intelectual: hemos dicho de manera simple y consistente que podemos escalar la capacidad más rápido y construir una empresa mucho más fuerte al aprovechar las asociaciones en lugar de aumentar y gastar nuestro Capital propio para construir fábricas.
Los inversores actuales en Alta incluyen a GE, Sumitomo y Dow Chemical, que recientemente introdujeron tejas para techos que incorporan energía fotovoltaica de película delgada. (consulte ¿Podemos construir los avances del mañana? enero / febrero de 2012) . Aunque estas empresas han invertido en varias rondas de financiación (Alta ha recaudado hasta ahora 120 millones de dólares), eventualmente a Norris le gustaría ver acuerdos, como acuerdos de licencia o empresas conjuntas, en las que los fabricantes desarrollan la capacidad para producir las células solares de Alta o utilizar la tecnología solar. en sus productos. Para hacer eso, dice, Alta primero debe eliminar el riesgo de la tecnología de producción, demostrando a los posibles socios que los módulos solares de arseniuro de galio se pueden producir de hecho de una manera económicamente competitiva.
A menos de una milla de su sede, Alta está destruyendo y renovando un edificio donde Netflix solía almacenar DVD, convirtiéndolo en una instalación piloto de $ 40 millones para probar su equipo. Aunque la instalación es mucho más pequeña que una fábrica solar comercial, todavía no es una empresa pequeña ni económica. Norris observa con cautela las nuevas columnas necesarias para reforzar el techo, que deberá contener un equipo pesado de ventilación y control de emisiones. Pero el CEO de Alta se vuelve más optimista a medida que se acerca a la sección trasera casi terminada de las instalaciones. Allí, en varias salas blancas, se encuentran las grandes versiones diseñadas a medida del aparato de laboratorio utilizado para fabricar las células solares.
El éxito de Alta dependerá principalmente de qué tan bien se desempeñen estos inventos de fabricación. El costo de la instalación piloto podría palidecer al lado del precio de una fábrica solar a escala comercial, pero sigue siendo una inversión crítica para la puesta en marcha. E incluso cuando Alta está tratando afanosamente de que la instalación esté en funcionamiento para fin de año, dice Norris, está adoptando un enfoque deliberado y metódico para el proceso de ampliación. Eso contrasta drásticamente con las primeras empresas de energía solar que gastaron cientos de millones en inversiones de riesgo para construir fábricas lo más rápido posible. Pero el enfoque cauteloso de Alta no debe confundirse con una falta de ambición. El objetivo, dice Norris, es hacer de esta una tecnología fundamental y transformadora.
David Rotman es Revisión de tecnología Editor.