Revue des technologies PV futures – 3rd édition | Reports

Revue des technologies PV futures – 3rd Edition

Résumé

ENF présente sa troisième édition de la Revue des technologies PV futures dans toute son ampleur et sa perspicacité originale.

L'industrie solaire photovoltaïque est aujourd'hui maintenant un secteur très complexe qui bouge rapidement. En une décennie, elle a évolué d'une industrie formée de petites entreprises utilisant une technologie peu mouvante à un secteur qui utilise près de trente technologies différentes, 300 laboratoires de recherche, des universités qui repoussent les limites de la science photovoltaïque. Il y a également plus de 10 000 entreprises engagées dans tous les aspects de la chaîne de valeur du photovoltaïque.

Tels sont la complexité actuelle et le rythme de changement du secteur qu'ENF a jugé essentiel d'inclure dans sa troisième édition, seulement 18 mois après la publication de sa deuxième édition. Le rapport est passé de cinq sections principales à douze et le nombre de caractères écrits a doublé pour atteindre 800 000 ; le tout agrémenté de données et d'analyses.

Ce rapport met l'accent sur la commercialisation des technologies PV. C'est la revue la plus complète actuellement disponible. Son contenu s'étend des mines de polysilicium, indium et tellurium (avec un accent particulier mis sur les problèmes d'approvisionnement) à la machine outil, aux processus d'usine, aux descriptions des technologies et jusqu'au produit PV final, aux applications et aux systèmes. Il fournit non seulement un aperçu de l'industrie mondiale mais aussi une analyse encore plus profonde que les rapports généraux et n'a pas peur d'énoncer des vérités parfois difficiles. Ce rapport est vraiment pertinent.

Fondé sur trois ans d'efforts fournis par l'équipe de recherche d'ENF, le rapport est totalement actualisé. Il est approuvé par des directeurs PV de différentes parties de la chaîne de valeur photovoltaïque.

Table des matières

PV Future Technologies Review	7
Introduction to the 3rd Edition	7
Part I - Economic Effects Shaping Technology Directions	8
Section Index	8
1. The Solar PV Market	8
1.1 Who are the real customers?	8
1.2 Solar powered “battery driven” products	9
1.3 Off grid solar powered applications	9
1.4 Off-grid electricity supply	9
1.5 Renewable generation of electricity for the electricity grids	10
1.6 Renewable micro-generation of electricity for the electricity grids	11
1.7 Building Integrated PV (BIPV) Market	11
2. Forces shaping the success/price of a PV technology	12
2.1 Technological Advantage v Economies of Scale	12
2.2 Strategy Rules for successfully getting new solar PV technologies to market	14
2.3 Funding Dynamics behind new technologies	15
3. The solar PV industry cost drive to grid parity	18
3.1 Cost of What?	18
3.2 Cost per Watt ($/Wp) of solar PV modules	18
3.3 Installed system cost	26
3.4 Levelized Cost of Electricity (LCOE)	28
4. Drive for Higher Efficiency	29
5. Efficiency - from Lab to Field	31
6. Do standard test conditions paint an accurate picture of “Efficiency”?	32
7. Impact of “Game Playing” on a more competitive PV industry	37
7.1 Manufacturers and Governments/Regulators	37
7.2 Manufacturers and Suppliers	38
7.3 Manufacturers and their Competitors	38
7.4 Manufactures and their Customers	39
8. The Risks of the Business - (Chaos Theory)	40
8.1 Risks facing all industries	40
8.2 Risks particular to the solar PV industry	41
8.3 Risks particular to a specific solar PV technology	42
8.4 Risks specific to the particular commercial enterprise	44
8.5 Risk Summary	45
9. What is Characterising the Solar PV Industry today	46
10. Forecasting Technology Progress over the next 5 Years	47
Part II - Review of Critical Materials	49
Section Index	49
1. General Introduction	49
2. Polysilicon	51
2.1 Introduction	51
2.2 Established Silicon Refining Technologies for polysilicon	51
2.3 Emerging Scene of Silicon Refining Technologies for polysilicon	55
2.4 Implications for the solar PV industry	60
2.5 Polysilicon Suppliers	61
3. Indium	62
3.1 General Introduction	62
3.2 Forces that will determine the market price of indium	62
3.3 Market Prices and Trends	68
3.4 Indium Suppliers	70
4. Tellurium	71
4.1 General Introduction	71
4.2 Forces Determining the Price of tellurium	71
4.3 Market Prices and trends	72
4.4 Tellurium Suppliers	73
5. Gallium	74
5.1 General Introduction	74
5.2 Forces determining the price of gallium	74
5.3 Market prices and trends	75
5.4 Gallium Suppliers	75
6. Germanium	76
6.1 General Introduction	76
6.2 Forces determining the price of germanium	76
6.3 Market prices and trends	77
6.4 Germanium Suppliers	78
7. Molybdenum	79
7.1 General introduction	79
7.2 Forces determining the price of molybdenum	79
7.3 Market Prices and trends	80
7.4 Molybdenum Suppliers	80
8. Cadmium	81
8.1 Cadmium Suppliers	81
9. Pastes	82
9.1 Metallization paste	82
9.2 Alternatives to Pastes	83
10. Glass and Alternatives to Glass	84
10.1 Glass	84
10.2 Alternatives to Glass	84
10.3 Glass Suppliers	84
11. Other Materials	85
11.1 Backsheet	85
11.2 Lamination encapsulent	85
Part III - Key machines used in the factory processes	86
Section Index	86
1. Introduction	86
2. Semiconductor deposition technologies	87
2.1 Liquid Phase Epitaxy (LPE)	87
2.2 Chemical Vapour Deposition (CVD)	87
2.3 Molecular Beam Epitaxy	92
2.4 Physical Vapour Deposition (PVD)	93
2.5 Laser Pyrolysis	95
3. Diffusion Furnaces	96
3.1 List of Diffusion Furnace Suppliers	97
4. “Printing” deposition technologies	98
4.1 Introduction	98
4.2 Screen Printing	98
4.3 Inkjet Printing	99
4.4 Spray Coating	101
4.5 Deposition of the PV active material	101
4.6 Focused Flow Extrusion (from PARC)	102
4.7 Light Induced Printing (Electroplating)	102
5. Other Deposition Processes	103
5.1 Chemical Bath Deposition	103
5.2 Ultrasonic Direct Energy Plating	103
5.3 Close Space Sublimation	103
5.4 Vapour Transport Deposition	104
6. Semiconductor Wafer Cutting	105
6.1 Saw Technology	105
6.2 Cleaving technology	106
6.3 Future Developments	106
6.4 List of Suppliers	107
7. Laser Technology	108
Part IV - Factory Processes for PV Technologies	111
Section Index	111
1. Introduction	111
2. Silicon crystalline PV technologies	112
2.1 Monocrystalline Ingot production	112
2.2 Polycrystalline Ingot Production	112
2.3 Cell production	113
2.4 Panel Production	116
3. Thin Film Production Processes	119
3.1 Production process for a-Si (amorphous silicon) solar PV cells	119
3.2 Production process for CIS/CIGS Technology solar PV cells	123
3.3 Production process for CdTe Technology solar PV cells	125
Part V - Factual Survey of PV Technologies	128
Section Index	128
Section Pre-amble:- Explanation of the organisation of this section	128
1. Monocrystalline Solar PV Technology	130
1.1 “Benchmark” Sawn Wafer Technology	130
1.2 Thinner Silicon Wafer Technology	133
1.3 Edge Defined Film-fed Growth Process (EFG)	135
1.4 String Ribbon	137
1.5 Monocrystalline - Back-Contact SunPower Technology	140
1.6 Sanyo HIT Technology	141
1.7 Suntech Pluto Technology (variant of the PERL technology)	143
1.8 n-Type Monocrystalline Silicon PV Cells	144
1.9 Monocrystalline - Silicon Sliver Cells	145
1.9 Spherical Solar Cell	147
2. Multicrystalline - Benchmark Silicon Sawn Wafer Technology	150
2.1 Benchmark Silicon Sawn Wafer Technology	150
2.2 Back-Contact EWT Technology	152
2.3 Angle Buried Contact (ABC) Cell	154
2.4 Selective Emitter Cell	155
2.5 Light Capturing Ribbon	157
3. Thin Film	160
3.1 a-Si Family (including single, tandem and triple junctions)	160
3.2 CIS Family of solar PV technology	169
3.3 Thin film - CdTe Family of solar PV Technology	180
3.4 CTZSS (Copper (Cu), Tin (Sn), Zinc (Zn), Sulfur (S), and/or Selenium (Se))	184
3.5 Crystalline Silicon on Glass (CSG)	185
3.6 FeS2 (Iron Pyrite) Solar PV Cell	188
4. Very High Performance PV Cells	190
4.1 Single and Double junction (GaAs)	190
4.2 Multi-junction (GaAs)	191
4.3 Indium, Gallium, Nitrogen (Full Spectrum)	196
4.4 Gallium Nitride/silicon tandem solar cell.	197
5. Third Generation	199
5.1 Dye Sensitised	199
5.2 Third Generation - Organic Polymer	206
5.3 Nano-technology (Quantum dots)	212
5.4 Multi-junction Nanowire PV Cells	220
5.5 List of Suppliers of Third Generation PV Technologies	221
6. Concentrator PV Technology	222
6.1 Low Concentration PV (LCPV) (Under 5 suns)	223
6.2 High Concentration PV (HCPV) (Over 5 suns and typically 500 suns)	228
6.3 Combined CPV Electricity and Direct Heating Systems	239
6.4 - List of CPV suppliers	243
Part VI Thermo PV Technology (TPV)	244
Section Index	244
1. Introduction	244
2. PV Cell Technology	245
3. Filters	245
4. System Efficiency	245
5. Cell Efficiency	245
6. Industrial Capacity	246
7. Future Research Directions	247
Part VII Innovative Solar PV Films, Cells, Panels & Designs	248
Section Index	248
1. Transparent Solar Cells	248
2. Coloured Solar PV Modules	251
3. Innovative Panel Designs (Roof Tiles and Shingles)	253
4. Combined PV Flat Panel and Thermal Water Heating	256
5. Building Integrated PV	259
6. Other Innovations	260
6.1 Light Wavelength Conversion Films and Luminescent solar concentrators	260
6.2 Light Splitting PV Receiver	261
6.3 Integrated solar power electronic circuits	262
6.4 Microscopic solar cells for attachment to fabrics	262
6.5 Solar Roads	262
7. Silexium SiC Anti-reflective coating solution	263
Part VIII - Solar PV Generated AC Energy	264
Section Index	264
Sections Pre-amble Introduction	264
1. Inverters	265
1.1 The architecture of inverters to solar PV modules	265
1.2 The Basic efficiency of Inverters	266
1.3 List of Suppliers	267
2. Charge Controllers	268
3. Mounts and Trackers	269
3.1 Fixed Mounts	269
3.2 Single-Axis Trackers and Mounts	269
3.3 Two-axis Mounts	270
3.4 Tracker Drives	270
3.5 List of Suppliers	271
4. Batteries	272
4.1 The Lead Acid Battery Evolution	272
4.2 Other types of batteries currently in use	272
4.3 Future Developments in Battery Technology	272
4.4 List of Suppliers	275
5. Other Innovations	276
5.1 Solar Panel Automated Cleaning	276
5.2 Solar PV Farm Fault Monitoring	276
Part IX - The Solar Powered Products Revolution	277
Section Index	277
1. Solar Applications Product Market	277
2. Markets	278
3. Technology	279
3.1 Solar Cells Only	279
3.2 Solar Cells Plus Motor	279
3.3 Solar Cells Plus Battery Plus Motor	280
3.4 Solar Cells Plus Battery Plus Lights	281
3.5 Solar Cells Plus Portable Electronic Device	283
3.6 Solar Cells Plus Battery Plus Portable Electronic Device	283
3.7 Solar Cells Plus Battery Plus Static Electronic Device	283
4. List of Suppliers	284
5. Discussion and Conclusion	285
Part X - Quality and Reliability of Solar PV Systems	286
Section Index	286
1. The Solar PV Quality System	286
2. Material Quality Control	287
3. Factory Testing	288
4. Quality Standards and Certification by third party testers	289
5. Feedback from the field	290
6. Research programmes to address particular issues	292
Part XI - Survey of Solar PV Research in University & Public/Private Research Laboratories	293
Section Index	293
1. Introduction	293
2. ENF survey of solar PV research	295
America - North	295
America South	312
Asia	313
Australasia	327
Europe	329
Middle-east and Africa	357
Annex - ENF Classification of Research into Solar PV Technologies	360
Part XII - Glossary of Terms used in the Solar PV Industry	361

Méthodologie

La revue ENF sur les technologies PV futures résulte d'un processus sur trois ans, à la fois de recherche et d'analyse.

Tout a commencé en 2007 :

1ère édition de la Revue ENF des technologies futures (Sept 2007)

La première édition a apporté une perspective "en dehors de l'industrie" menée par une technologie de pointe sur le secteur mondial émergent du photovoltaïque. Ceci a offert à l'industrie une façon originale de percevoir plusieurs problèmes s. L'industrie solaire photovoltaïque a été malmenée par sa première crise due à une pénurie de polysilicium. Un projet de recherche ENF a été entrepris sur le secteur du polysilicium pour trouver de nouvelles techniques de raffinage de ce dernier. Ceci a établi la base de l'analyse des technologies alternatives qui traduit la diversification de l'industrie PV. La revue a suivi les technologies de première, deuxième et troisième génération.

La première couche fondatrice de la revue comprenait les sections suivantes :

Partie I – Définir le cadre (les problèmes de commercialisation)
Partie II – Le secteur émergent des technologies du raffinage du silicium
Partie III - 2007 – Sondage factuel sur les technologies photovoltaïques

Pour faciliter la recherche d'information, chaque résultat concernant une technologie PV était présenté selon la forme suivante :

Introduction – Définition de la technologie, avantages et inconvénients

Acteurs – Liste des entreprises actives dans cette technologie

Efficacité des cellules et panneaux – Comparateur communément accepté

Description – Aide à visualiser de quoi il s'agit

Matériaux bruts – Ajoutés si pertinent (ex : gallium)

Méthodes de fabrication utilisées – Identification des processus industriels nécessaires

Fournisseurs en amont – Qui fournit les machines outils indispensable au processus ?

Capacité industrielle derrière la technologie – Estimation de la capacité de production de l'usine en aval

Orientations R&D futures – Liste des défis à relever par les technologies

Une part clé de notre recherche a consisté à trouver des chiffres et des explications pour les faits peu communs.

Cette base a été préservée et actualisée lors de chaque édition de la revue ENF des technologies futures.

2ème édition de la revue ENF des technologies futures (Sept 2008)

La deuxième édition a étendu la vision de la revue depuis l'extraction minière de matériaux bruts clés comme l'indium et le tellurium jusqu'à l'émergence de la révolution des produits solaires. Pour la première fois, toute l'industrie PV était étudiée dans son intégralité, ce qui a permis de clarifier les relations entre les différents secteurs.

La revue des matériaux critiques a coïncidé avec la hausse des prix de certains d'entre eux, nécessaires à la deuxième génération (couche mince) de produits solaires PV. Avec une analyse parfaitement documentée, cet aspect a été intégré à la revue. Elle a également mis l'accent sur les processus d'usine et les machines clés en insistant sur les technologies de dépôts. L'organisation est la suivante :

Partie I –Définir le cadre
Partie II – Revue des matériaux critiques
Partie III – Processus d'usine pour les technologies PV
Partie IV – Sondage factuel des technologies PV
Partie V – Application des cellules solaires PV à des produits

3ème édition de la revue ENF des technologies futures (Avril 2010)

La troisième édition a visé la même et ambitieuse cible : réunir deux couches d'information et d'analyse tout en augmentant l'étendue de la revue à d'autres domaines, incluant les systèmes PV, la technologie TPV (thermo-photovoltaïque) et la qualité/fiabilité du solaire PV pour créer la structure suivante :

Partie I – Faits économiques impactant les orientations technologiques
Partie II – Revue des matériaux critiques
Partie III – Machines clés utilisées pour les processus d'usine
Partie IV – Processus d'usine pour technologies PV
Partie V – Sondage factuel sur les technologies PV
Partie VI – Technologie thermo photovoltaïque (TPV)
Partie VII – Couches, cellules, panneaux et design PV innovants
Partie VIII – Energie AC (courant alternatif) générée par le solaire PV
Partie IX – Révolution des produits à énergie solaire
Partie X – Qualité et fiabilité des systèmes solaires PV
Partie XI – Sondage sur la recherche PV à l'université et dans les laboratoires de recherche publics et privés
Partie XII – Glossaire des termes utilisés dans l'industrie solaire PV

Avec une recherche approfondie dans les domaines des machines outil et des processus, nous avons répertorié plus de 300 départements universitaires et laboratoires de recherche privés ou publics (excluant ceux des fournisseurs) impliqués dans la recherche PV sur plus de 40 pays.

La 3ème édition a intégré dans plusieurs sections de la revue des liens internet vers les bases de données électroniques appropriées d'ENF. Ainsi, les détenteurs de la version électronique de la revue des technologies futures peuvent circuler des descriptions et analyses d'une technologie donnée, à la base de données ENF qui répertorie des milliers d'entreprises actives dans différents secteurs de l'industrie. De cette façon, la revue des technologies futures devient un outil d'information unique de l'industrie.

Sur ces trois années, nous avons maintenu une discipline stricte pour pouvoir fournir suffisamment de détails et permettre à un grand nombre de managers de l'industrie, à tous les niveaux de production, et à toutes les parties prenantes (investisseurs, régulateurs etc) de comprendre ce qu'il se passe et de dialoguer avec des experts. La revue comble l'espace de savoir vital entre les articles de journaux et les ouvrages techniques.