三十年前,日本的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)占全球市場(chǎng)的近50%,但今天已跌破10%。日本如何利用在涉及新材料和新元素的基礎(chǔ)研究方面處于領(lǐng)先地位的優(yōu)勢(shì)同時(shí),加速可再生能源的普及,發(fā)揮最大潛力,在這一方面值得世界關(guān)注。
鈣鈦礦太陽(yáng)能電池(PSCs)
鈣鈦礦是最具潛力光電材料之一,性能優(yōu)異應(yīng)用廣泛。鈣鈦礦是一種分子通式為 ABX3 的晶體材料,呈八面體形狀,光電轉(zhuǎn)換效率高,鈣鈦礦材料由于其光吸收系數(shù)高、載流子遷移率大、合成方法簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是下一代最具前景的光電材料之一。在光伏、LED 等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,鈣鈦礦光伏電池自 2009 年進(jìn)入該領(lǐng)域以來(lái),在效率和穩(wěn)定性方面都取得了快速提升。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池(PSCs)是利用鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料作為吸光材料的太陽(yáng)能電池,屬于第三代高效薄膜電池的代表,具有高效率、低成本、高柔性等優(yōu)勢(shì)。
日企將鈣鈦礦太陽(yáng)能電池推向?qū)嵱没?/strong>
“鈣鈦礦型”太陽(yáng)能電池在2021年9月啟動(dòng)全球首次量產(chǎn)。在歐洲和中國(guó)企業(yè)起步較早的全球背景下,日本國(guó)內(nèi)企業(yè)將其推向?qū)嵱没踩〉眠M(jìn)展。推進(jìn)實(shí)用化的日企有積水化學(xué)工業(yè),東芝,愛(ài)信(Aisin)以及EneCoat Technologies(京都府久御山町)。其中積水化學(xué)工業(yè)和東芝將在2025年以后啟動(dòng)量產(chǎn),EneCoat Technologies(京都府久御山町)也準(zhǔn)備在2024年開(kāi)始量產(chǎn)電池板大小的產(chǎn)品。
薄膜型鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的使用發(fā)展尤其受到關(guān)注。因其重量輕且靈活的特質(zhì),可以安裝在多種位置,例如建筑物的墻壁、承載能力較低的屋頂以及車(chē)身等曲面。除此之外,有望解決現(xiàn)有硅太陽(yáng)能電池生產(chǎn)方面的問(wèn)題,如鍍膜連續(xù)生產(chǎn)等,無(wú)需稀有金屬。有望加速可再生能源的普及,為實(shí)現(xiàn)碳中和做出巨大貢獻(xiàn)。
日本企業(yè)將利用自身擅長(zhǎng)的材料技術(shù)等,提高耐用性和發(fā)電轉(zhuǎn)換效率,將價(jià)格降低到現(xiàn)有電池的一半,力求在光伏電池市場(chǎng)重振旗鼓創(chuàng)造新價(jià)值以及解決社會(huì)和管理問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的社會(huì)。為實(shí)現(xiàn)2025年的量產(chǎn)目標(biāo),2021年,東芝開(kāi)發(fā)出了可均勻涂覆材料的制膜技術(shù),約700平方厘米的試制產(chǎn)品達(dá)到了15.1%的轉(zhuǎn)換效率。
發(fā)展鈣鈦礦太陽(yáng)能電池,減少環(huán)境負(fù)荷
提高太陽(yáng)能電池的效率會(huì)對(duì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生巨大影響的同時(shí),對(duì)于提供更實(shí)惠的清潔能源、加速太陽(yáng)能的采用以及減輕氣候變化的影響至關(guān)重要。目前,日企面臨的課題還包括生產(chǎn)規(guī)模小,產(chǎn)品成品率低,減少環(huán)境負(fù)荷等問(wèn)題。材料使用環(huán)境負(fù)荷較高的鉛也阻礙了鈣鈦礦電池的普及。源自京都大學(xué)的初創(chuàng)企業(yè)EneCoat Technologies(京都府久御山町)致力于鈣鈦礦太陽(yáng)能電池材料的開(kāi)發(fā)和模塊的商業(yè)化。嘗試用錫來(lái)代替鉛,尋求減少鉛的用量以減少生產(chǎn)帶來(lái)的環(huán)境負(fù)荷。Enecoat Technologies 開(kāi)發(fā)的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池(“Dokodemo Power Supply?”)不僅在晴朗的天氣下,而且在多云的天空和室內(nèi)照明等暗光下也表現(xiàn)出高發(fā)電能力。EneCoat Technologies(京都府久御山町)表示,采用低溫鍍膜工藝,各組成層為納米級(jí)薄膜,制造成本低。利用濕法工藝適合大規(guī)模量產(chǎn)的特點(diǎn),以保護(hù)環(huán)境和有效利用自然能源為目標(biāo),未來(lái)也會(huì)根據(jù)應(yīng)用和規(guī)模推廣生產(chǎn)。
應(yīng)用場(chǎng)景待解鎖
積水化學(xué)株式會(huì)社在2022年8月初宣布,決定在JR西日本“梅北(大阪)”車(chē)站提供并安裝薄膜型鈣鈦礦太陽(yáng)能電池,該宣布一文中提到這是該公司首次在公共設(shè)施中安裝薄膜型鈣鈦礦太陽(yáng)能電池,并希望借此實(shí)現(xiàn)JR西日本首個(gè)電力二氧化碳零排放站。
此外,在應(yīng)用場(chǎng)景方面,新能源汽車(chē)的太陽(yáng)能發(fā)電車(chē)頂也是鈣鈦礦電池有望進(jìn)入的市場(chǎng)。目前鈣鈦礦電池正在加快產(chǎn)業(yè)化探索,單結(jié)鈣鈦礦電池百兆瓦級(jí)產(chǎn)線(xiàn)建設(shè)需求增加,單結(jié)鈣鈦礦電池參與者眾多,2021年以來(lái)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展加速。疊層電池目前多處于研發(fā)試驗(yàn)階段。
展望
在效率及成本端均較晶硅類(lèi)電池有優(yōu)勢(shì),但主要缺點(diǎn)是壽命短。目前鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的T80壽命(效率下降到初始值的 80%)約 4000 小時(shí),距當(dāng)前主流光伏技術(shù)的25年壽命相差甚遠(yuǎn)。實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能在全球范圍內(nèi)增長(zhǎng)的關(guān)鍵是進(jìn)一步提高效率以及使用壽命,降低成本。
鈣鈦礦電池發(fā)明者宮坂力(桐蔭橫濱大學(xué)特聘教授)在接受日本經(jīng)濟(jì)新聞采訪(fǎng)時(shí)曾提到,要贏得今后的競(jìng)爭(zhēng),需要增加投入人力和資金,提升量產(chǎn)技術(shù),提高產(chǎn)品品質(zhì),降低成本。 構(gòu)筑疊層器件是進(jìn)一步提升太陽(yáng)能電池效率的最重要途徑。
原標(biāo)題:利用鈣鈦礦型光伏電池打翻身仗?