Birth of Thin Film CdTe and CIS Solar PV in the US Market

Ken ZweibelDirector

Institute for Analysis of Solar EnergyGeorge Washington University

CdTe and CIS

• Cadmium telluride (CdTe) and alloys of copper indium diselenide with gallium and sulfur (CIS)

• Key 2nd generation, thin film photovoltaic module technologies aimed at reducing system cost

• Challenging semiconductor‐based PV options with almost no prior science or technology base

Now and Then

• 1980– Decent small area solar cells– Huge scale‐up challenges (module area and throughput)

– Little or no market pull• Today

– CdTe: Made by the single largest thin film manufacturing company (First Solar) and providing the lowest‐cost solar systems

– CIS: The largest focus of solar venture capital investment

Context

• From 1980 to 2003, the solar market was almost negligible

• Solar was ten times more expensive than conventional electricity (50 c/kWh versus 5)

• Climate change was an annoying background issue

• Huge technical challenges existed without the money to overcome them

Cash Flow

• Lack of commercial revenue prevented– Investment in R&D to move technologies closer to product

– Improve the product from its rudimentary levels

• Funds came from– Government– Individual wealthy visionary investors– Oil companies and a few others (“green wash?”)– Not from venture capital (lack of market)

The Interregnum

• During 1980 to 2003– Small area cell conversion efficiencies rose to respectable levels

– Processes were developed to scale‐up areas to product (“module”) sizes (10,000‐fold size increase)

– The first decent modules were made

– Pilot lines were built and usually failed (another 10,000 fold product area increase)

Companies That Built Pilot Lines

• CdTe– Coors – Golden Photon

– Matsushita

– BP Solar

– Solar Cells Inc.

– Antec (Germany)

• CIS alloys– ARCO Solar, Siemens Solar, Shell Solar, Showa Shell

– Boeing

– EPV

– Wurth (Germany)

– ITN Global Solar

Production as of 2003

• CdTe – 5‐15 MW/yr– Antec

– First Solar (was Solar Cells Inc.)

• CIS– Pilot lines at Wurth and Global Solar (sub 5 MW/yr)

• That is – literally nothing

A Tale of Two Technologies 2003

CdTe 2003

• One key corporate leader (First Solar) with substantial investment and almost mature technology– Walton Family (Wal‐Mart 

heirs)

– Management knowledgeable and confident of its product’s value and potential

CIS Alloys 2003

• No mature, successful approach to full‐scale manufacturing

• Spectrum of participants and investors

• Little or no venture capital

• Best small‐area cell efficiency of any thin film (“story rich”)

What Happened in 2003?

• Pre‐2003, Japanese Subsidies (small but a start)

• Post‐2003, Substantial German Subsidies– Huge new market

– Huge revenue growth

– Cash flow circulated into technology development and economies of scale

– Companies and VCs got interested got wind at backs to take risk of scale‐up

CdTe Today

• Half a gigawatt of annual production• Nearly a gigawatt of production next year• One major company (First Solar)

– Five others• Antec – still producing low‐efficiency modules in small volumes• Two start‐ups corporate owners (Calyxo by Q‐Cells and PrimeStar Solar by GE)

• Two with VC investment (AVA, Arendi)

• First Solar – Lowest cost producer of modules and systems in all of PV– Among the largest PV companies in the world by volume

2005 and 2006 based on Q4 06 run rate2007  based on Q4 07 run rate

2008 – 2009 based on Q2 08 run rate

First Solar Capacity Expansion

25MW

∼100MW

308MW

720MW

1,104MW

2005 2006 2007 2008 2009

First Solar Module Cost Per Watt Trend

$1.01/W Core Cost in 2008 Q3

CdTe, PV Cost Leader

• A 40 MW system in Waldpolenz Solar Park, Germany: at the time of its announcement, it was both the largest planned and lowest cost PV system in the world: 3.25 euros or $4.2 per watt. [36]

• A 7.5 MW system in Blythe, CA, where the California Public Utilities Commission has accepted a 12 ¢/kWh power purchase agreement with First Solar (after the application of all incentives). [37] Defined in California as the "Market Referent Price," this is the price the PUC will pay for any daytime peaking power source, e.g., natural gas. 

• A contract for two megawatts of rooftop installations with Southern California Edison, where the SCE program is designed to install 250 MW at a total cost of $875M (averaging $3.5 per watt), after incentives. [38]

CIS Alloys Today• Trying to combine best aspects of sunlight‐to‐electricity conversion 

efficiency with low cost– 20% small‐area solar cell (versus 16.5% for CdTe)– 15% minimodule (versus 12% for CdTe)– But cost and manufacturing are huge challenges

• Small production (under 25 MW/yr) from– Wurth (funded by wealthy individual)– Showa Shell (Shell Japan)– Honda– Global Solar (Utility funding, then PV company, Solon, buyout)– Avancis (Shell and St. Gobain)– Solyndra

• Huge number of competing start‐up companies with different approaches (50?) funded by VCs– Most building pilot or production lines

• Nanosolar, Miasole, Heliovolt, etc.

CIS Has Strained the VC Approach

• Very high level of investment to get through cell‐to‐module scale‐up

• Another large investment for first factory• Potential for several multi‐year delays• Very high pre‐production valuations if value of initial investments are to be sustained

• Probably a combination of the attractions of solar and dot‐com nostalgia– Mostly a silicon valley phenomenon

Lux Energy Summit 2008, Matthew Nordan

Nanosolar Ups Funding to $0.5B; Partners Strategically for Solar Utility PowerAugust 27, 2008 By Martin Roscheisen, CEOAs part of a strategic $300 million equity financing, Nanosolar has added new capital and brought its total amount of funding to date to just below half a billion U.S. dollars.

HelioVolt Corp., an Austin company pioneering the use of powerful and durable "thin‐film" solar materials, said Wednesday it has raised $77 million in a second round of investment.

Gronet said Solyndra has raised $600 million in equity from investors including the Virgin Green Fund, Madrone Capital Partners, RockPort Capital Partners, Argonaut Capital Partners, Redpoint Ventures, US Venture Partners and CMEA Ventures. It was reported last year that Solyndra raised $79 million.

Seven funds known to have invested in Miasole’s latest round—Miasole, one of the biggest thin‐film solar startups, has been raising a $200 million round. So far, the company has obtained commitments from seven funds. Miasole is believed to have raised $50 million in a series D round last autumn. 

AVA (CdTe): This $104 million funding was led by DCM and included new investors Technology Partners, GLG Partners and Bohemian Companies, LLC as well as prior investors, including Invus, LP.

Changing VC Model

• VCs have problems with longer‐term, higher risk, more capital‐intense technologies– And complex technologies for which they lack specialist knowledge

• But shifting societal needs mean that these are the ones with the highest potential payoff

• VCs adapt to the new opportunity

Acknowledgements

• Matthew Nordan, Lux Research, for gathering data on VC investments in thin films in US and conceptualizing the structure of VC investing as “broken” for these investments