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Alta Devices : trouver une solution solaire
Cherchant à pénétrer un marché solaire hautement concurrentiel, Alta Devices espère utiliser une combinaison d'avancées technologiques et de savoir-faire en matière de fabrication pour réussir là où de nombreux autres se sont écrasés et ont brûlé. 21 février 2012
Alta Devices est une petite start-up bien financée située dans le même immeuble de bureaux quelconque de la Silicon Valley qui servait autrefois de siège social à Solyndra, la tristement célèbre société solaire qui a fait faillite l'année dernière après avoir dépensé des centaines de millions de dollars en investissements publics et de capital-risque. . On ne sait toujours pas si l'emplacement a un mauvais karma, plaisante le PDG d'Alta, Christopher Norris. Mais Norris, ancien dirigeant de l'industrie des semi-conducteurs et capital-risqueur, sait que le sort de son entreprise dépendra de sa capacité à naviguer dans le processus risqué et coûteux de mise à l'échelle de sa nouvelle technologie, qui, selon lui, pourrait produire de l'électricité à un prix compétitif. avec des centrales à combustibles fossiles et bien moins cher que les modules solaires d'aujourd'hui.
Sur une table dans la salle de conférence d'Alta, Norris expose des échantillons des cellules solaires de l'entreprise, des plaques noires flexibles encapsulées dans du plastique transparent. Ils ont l'air banal, mais c'est parce que l'ingrédient clé est presque invisible : des feuilles d'arséniure de gallium microscopiquement minces. Le semi-conducteur absorbe si bien la lumière du soleil et la transforme en électricité que l'un des appareils d'Alta, contenant une couche active d'arséniure de gallium de seulement quelques micromètres d'épaisseur, a récemment établi un record d'efficacité photovoltaïque. Mais l'arséniure de gallium est également extrêmement coûteux à utiliser dans les cellules solaires, et ses films minces ont tendance à être fragiles et difficiles à fabriquer. En fait, les innovations d'Alta ne résident pas dans le choix du matériau - le semi-conducteur est utilisé dans les cellules solaires des satellites et des engins spatiaux depuis des décennies - mais dans la recherche d'un moyen de le transformer en modules solaires suffisamment bon marché pour être pratiques pour la plupart des applications.
Cette histoire faisait partie de notre numéro de mars 2012
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La société, qui a été fondée en 2007, est basée sur les travaux de deux des plus grands chercheurs universitaires mondiaux dans le domaine des matériaux photoniques. L'un d'eux, Eli Yablonovitch, aujourd'hui professeur de génie électrique à l'Université de Californie à Berkeley, a développé et breveté une technique de création de films ultrafins d'arséniure de gallium dans les années 1980, alors qu'il travaillait chez Bell Communications Research. L'autre, Harry Atwater, professeur de physique appliquée et de science des matériaux à Caltech, est un pionnier dans l'utilisation de microstructures et de nanostructures pour améliorer la capacité des matériaux à piéger la lumière et à la convertir en électricité. Andy Rappaport, un investisseur en capital-risque chez August Capital, s'est associé aux deux scientifiques pour fonder Alta, en recrutant un autre vétéran de la Silicon Valley, Bill Joy, en tant qu'investisseur et, avec les autres cofondateurs, en constituant une équipe de direction qui comprenait Norris. L'objectif : fabriquer des cellules solaires très performantes, et les fabriquer à moindre coût que celles basées sur la technologie silicium existante.
C'est à ce stade que de nombreuses startups solaires ont mal tourné, se précipitant pour développer une technologie innovante avant de comprendre ses défis économiques et techniques. Au lieu de cela, Alta a passé ses premières années en mode furtif, essayant tranquillement de déterminer, comme le dit Norris, si son processus de fabrication de cellules solaires à l'arséniure de gallium était plus qu'une expérience scientifique et pouvait servir de base viable pour la fabrication.
Puissance flexible : Les cellules solaires d'Alta peuvent être transformées en feuilles pliables. Dans cet échantillon, une série de cellules solaires sont encapsulées dans un matériau de toiture.
Les vestiges de l'expérience scientifique sont encore visibles dans le modeste laboratoire à l'arrière des bureaux d'Alta. De petits pots en céramique reposent sur des plaques chauffantes électriques, vestiges des premiers efforts de l'entreprise pour optimiser la technique de décollage épitaxiale de Yablonovitch, qui utilise des acides pour séparer avec précision les films minces d'arséniure de gallium des plaquettes sur lesquelles ils sont cultivés. Ailleurs dans le laboratoire, l'équipement devient progressivement plus grand et plus sophistiqué, reflétant l'intensification du processus. Près d'une fenêtre d'observation qui permet aux investisseurs potentiels de jeter un coup d'œil dans le laboratoire sans revêtir de revêtements de salle blanche, se trouve l'un des joyaux des efforts de développement de l'entreprise : une longue pièce d'équipement dans laquelle des lots d'échantillons sont traités pour créer les cellules solaires à couche mince . C'est une preuve convaincante que les premiers travaux avec des casseroles et des plaques chauffantes peuvent être transformés en un processus automatisé capable des rendements nécessaires à la fabrication dans le monde réel.
LEVAGE SOLAIRE
Lorsque Bill Joy, cofondateur de Sun Microsystems et aujourd'hui l'un des principaux investisseurs en capital-risque de la Silicon Valley, a vu pour la première fois le plan d'affaires de ce qui est devenu Alta Devices, lui et ses collègues de Kleiner Perkins Caufield & Byers recherchaient déjà un système solaire à couche mince à haute efficacité. La technologie. Joy tient une liste courante (actuellement d'environ 12 à 15 éléments) des technologies souhaitables qu'il pense avoir une chance raisonnable de trouver. Les cellules solaires qui sont très efficaces pour convertir la lumière du soleil et qui peuvent être fabriquées à moindre coût dans des feuilles flexibles pourraient fournir des moyens de réduire considérablement les coûts globaux de l'énergie solaire. La technologie à l'arséniure de gallium était un choix naturel pour l'efficacité, mais l'économie d'Alta était ce qui intéressait vraiment les investisseurs. Leur compétence principale était de savoir comment le rendre manufacturable, explique Joy, qui a rejoint Rappaport en tant qu'investisseur en quelques mois.
L'arséniure de gallium est un matériau solaire presque idéal, pour un certain nombre de raisons. Non seulement il absorbe beaucoup plus de lumière solaire que le silicium - des couches minces de celui-ci capturent autant de photons que le silicium 100 fois plus épais - mais il est moins sensible à la chaleur que les cellules solaires au silicium, dont les performances diminuent considérablement au-dessus de 25 °C. Et l'arséniure de gallium est meilleur que le silicium pour conserver ses capacités de production d'électricité dans des conditions de lumière relativement faible, comme tôt le matin ou tard dans l'après-midi.
La technique que Yablonovitch a aidé à comprendre il y a des décennies est la clé pour réduire ses coûts de fabrication. Le semi-conducteur peut croître par épitaxie : lorsque des couches minces sont déposées chimiquement sur un substrat d'arséniure de gallium monocristallin, chacune adopte la même structure monocristalline. Yablonovitch a découvert que si une couche d'arséniure d'aluminium est prise en sandwich entre les couches, celle-ci peut être rongée sélectivement par un acide et l'arséniure de gallium au-dessus peut être décollé. C'était une manière élégante et simple de créer des films minces du matériau. Mais le processus était également problématique : les films monocristallins se fissurent facilement et deviennent sans valeur. En adaptant la méthode de fabrication de Yablonovitch, les chercheurs d'Alta ont trouvé des moyens de créer des films robustes qui ne sont pas sujets à la fissuration. Et non seulement les films minces utilisent peu de matériau semi-conducteur, mais le précieux substrat d'arséniure de gallium peut être réutilisé plusieurs fois, ce qui contribue à rendre le processus abordable.
Les recherches des scientifiques fondateurs d'Alta ont également conduit à des techniques pour augmenter les performances des cellules solaires. Le photovoltaïque fonctionne parce que les photons qu'ils absorbent augmentent les niveaux d'énergie des électrons dans le semi-conducteur, les libérant pour qu'ils s'écoulent vers les contacts métalliques et créent un courant. Mais les électrons errants peuvent être gaspillés de diverses manières, par exemple en chaleur. Dans l'arséniure de gallium, cependant, les électrons libérés se recombinent fréquemment avec des trous chargés positivement pour recréer des photons et recommencer le processus. Les travaux effectués par Yablonovitch et Atwater pour expliquer ce processus ont aidé Alta à concevoir des cellules pour tirer parti de ce recyclage de photons, offrant de nombreuses chances de récupérer des photons et de les transformer en électricité.
Ainsi, le record d'efficacité d'Alta : ses cellules ont converti 28,3 % de la lumière solaire en électricité, alors que le rendement le plus élevé pour une cellule solaire au silicium est de 25 % et que les matériaux solaires à couche mince couramment utilisés ne dépassent pas 20 %. Yablonovitch suggère qu'Alta a de bonnes chances de dépasser les 30 % d'efficacité et d'approcher la limite théorique de 33,4 % pour les cellules de ce type.
Le rendement élevé, combiné à la capacité de l'arséniure de gallium à fonctionner à des températures relativement élevées et dans des conditions de faible luminosité, signifie que les cellules peuvent produire deux ou trois fois plus d'énergie sur un an que les cellules conventionnelles au silicium, explique Norris. Et cela, bien sûr, se traduit directement par une baisse des prix de l'énergie solaire. Norris dit qu'une attente non déraisonnable est que la technologie de l'arséniure de gallium pourrait générer un coût actualisé de l'énergie (une mesure couramment utilisée dans l'industrie qui comprend les coûts de construction et d'exploitation d'une centrale électrique) de sept cents par kilowattheure. À un tel prix, dit Norris, le solaire serait compétitif avec les combustibles fossiles, y compris le gaz naturel ; les nouvelles centrales à gaz produisent de l'électricité pour environ 10 cents le kilowattheure. Et cela surpasserait l'énergie solaire d'aujourd'hui, qui, selon Norris, coûte environ 20 cents le kilowattheure à produire.
De tels chiffres sont alléchants. Mais Norris s'empresse d'en évoquer un autre : il en coûte environ 1 milliard de dollars pour construire une usine de fabrication capable de produire suffisamment de modules solaires pour générer un gigawatt d'électricité, ce qui correspond à peu près à la production de plusieurs centrales électriques de taille moyenne. Je ne vois aucun scénario où nous ferions cela nous-mêmes, dit-il.
FANTME DE SOLYNDRA
La Silicon Valley est entichée de technologies propres depuis le milieu des années 2000, mais elle n'a pas encore trouvé quelque chose de crucial : qui fournira tout l'argent nécessaire pour développer les technologies énergétiques et construire des usines pour les fabriquer ? Les investisseurs en capital-risque peuvent être qualifiés pour choisir les technologies, mais peu d'entre eux ont les poches profondes ou la patience nécessaires pour rivaliser dans une entreprise à forte intensité de capital telle que la fabrication de modules solaires. L'effondrement de Solyndra, qui a construit une usine de 733 millions de dollars à Fremont, en Californie, n'est que le rappel le plus récent de ce qui peut mal tourner.
L'investisseur principal d'Alta, Andy Rappaport, dit qu'il reste généralement à l'écart des investissements dans les technologies propres, y compris le photovoltaïque. De nombreux investisseurs dans le solaire, suggère-t-il, ont parié qu'une startup pourrait réduire les coûts marginaux de fabrication et ainsi conquérir des parts de marché. C'est une recette pour l'échec, dit-il, car vous devez dépenser des centaines de millions pour construire une usine avant de savoir si vous avez quelque chose de valeur. La stratégie est particulièrement risquée aujourd'hui, car le photovoltaïque devient une entreprise de matières premières de plus en plus compétitive et les prix continuent de chuter, créant une cible mouvante pour une nouvelle production. Mais plutôt que d'essayer de créer de la valeur en renforçant la capacité de fabrication, dit Rappaport, Alta peut profiter de sa propriété intellectuelle : propre capital pour construire des usines.
Les investisseurs actuels à Alta comprennent GE, Sumitomo et Dow Chemical, qui a récemment introduit des bardeaux de toiture intégrant des panneaux photovoltaïques à couche mince. (voir Pouvons-nous construire les avancées de demain ? janvier/février 2012) . Bien que ces sociétés aient investi dans plusieurs tours de financement - Alta a jusqu'à présent levé 120 millions de dollars -, Norris aimerait finalement voir des accords, tels que des accords de licence ou des coentreprises, dans lesquels les fabricants renforcent la capacité de produire les cellules solaires d'Alta ou d'utiliser la technologie solaire. dans leurs produits. Pour ce faire, dit-il, Alta doit d'abord éliminer le risque de la technologie de production, en démontrant aux partenaires potentiels que les modules solaires à l'arséniure de gallium peuvent en fait être produits de manière économiquement compétitive.
À moins d'un mile de son siège social, Alta est en train de vider et de rénover un bâtiment où Netflix entreposait des DVD, le transformant en une installation pilote de 40 millions de dollars pour tester son équipement. Bien que l'installation soit beaucoup plus petite qu'une usine solaire commerciale, ce n'est toujours pas une entreprise petite ou peu coûteuse. Norris regarde avec méfiance les nouvelles colonnes nécessaires pour renforcer le toit, qui devra contenir de lourds équipements de ventilation et de contrôle des émissions. Mais le PDG d'Alta devient plus dynamique à mesure qu'il s'approche de la section arrière presque terminée de l'installation. Là, dans plusieurs salles blanches, se trouvent les grandes versions conçues sur mesure de l'appareil de laboratoire utilisé pour fabriquer les cellules solaires.
Le succès d'Alta dépendra principalement de la performance de ces inventions de fabrication. Le coût de l'installation pilote peut être pâle à côté du prix d'une usine solaire à l'échelle commerciale, mais il s'agit toujours d'un investissement essentiel pour le démarrage. Et même si Alta essaie activement de mettre l'installation en service d'ici la fin de l'année, dit Norris, elle adopte une approche délibérée et méthodique du processus de mise à l'échelle. Cela contraste fortement avec les premières startups solaires qui ont dépensé des centaines de millions de dollars en investissements de capital-risque pour construire des usines le plus rapidement possible. Mais l'approche prudente d'Alta ne doit pas être confondue avec un manque d'ambition. L'objectif, dit Norris, est d'en faire une technologie fondamentale et transformatrice.
David Rotman est Examen de la technologie l'éditeur de.