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光电转换材料新星--钙钛矿太阳能电池
全球期待的梦幻之光
[作者 盧傑瑞]   2021年10月20日 星期三 浏览人次: [4184]

高转换效率的703cm2可弯曲薄膜型钙钛矿太阳能发电面板等材料的出现,将太阳能发电技术推向新里程碑,也让太阳能发电,担负着未来洁净能源的发电重任。


太阳能发电的技术创新方面,过去10多年来,在全球的产学业界投入了巨大的研究能量下,使得技术研发与材料方面不断出现新成果;例如SHARP卫星用化合物太阳能电面板,转换效率已高达率37.9%,而在单晶矽太阳能发电面板方面,KANAKA转换效率也可达26.7%,以及东芝在今(2021)年9月发表了全球达到15.1%的最高转换效率的703cm2可弯曲薄膜型钙钛矿太阳能发电面板等,不断地将太阳能发电技术推向新里程碑,也让太阳能发电逐渐成为不可或缺的发电技术,担负着未来洁净能源的发电重任。


太阳能发电成本在过去8年内降低了1/4

根据国际能源署(IEA)统计,2020年可再生能源可发电量为2,994百万瓩(Giga Watt;GW),约占总发电量的38.4%,但到2030年时,占总发电量比例则将大幅度成长68.9%,达到10,293百万瓩。而在2050年更突破200亿瓩,达到26,568百万瓩,更是占总发电量的79.5%(图1)。



图1 : 全球电力设备发电量统计(累积、发电源别)  (source:国际能源署(IEA);智动化整理)
图1 : 全球电力设备发电量统计(累积、发电源别) (source:国际能源署(IEA);智动化整理)

在太阳能设备市场规模方面,在2020年约为127 GW,但预计2030年将达到630GW(图2),并且往后每年都呈现成长。在各国能源政策积极推动大规模太阳能发电资金投入下,在建置成本方面,已经下降到接近火力发电的水准,这可以从资本投资和运营/维护等,与发电相关的各种成本计算的均化能源成本(Levelized Cost of Energy;LCOE)来观察。LCOE已经从2012年的217美元/MWh(兆瓦时),来到2020年的57美元/MWh,也就是说在过去的八年减少了大约四分之一(以全球平均为基础)。观察未来30年成本下降速度,虽然下降的速度会比以前慢,但仍旧会呈现进一步下降的态势。而地区方面来看,印度和中国的LCOE也略低于欧洲和美国。



图2 : 新建置太阳能发电量与成本  (source:国际能源署(IEA);智动化整理)
图2 : 新建置太阳能发电量与成本 (source:国际能源署(IEA);智动化整理)

推动太阳能发电成本与建置成本不断下降的主要原因,除了各国政府的新能源政策,以及人们对于环保概念意识的强化之外,更重要的是,不断被突破的太阳能发电转换效率,以及持续发表的新材料与架构。


研发新材料获得更高的转换效率成为研究重点

大多数人都认为,太阳能发电是利用玻璃面板上的结晶矽材料,将太阳的光能直接转化为电能,但是矽材料只能吸收红外或是近红外光后,转换成电力,除此之外的其他光波长只能转换成热,而这些热又会对太阳能发电系统带来一些困扰。


另一个重点是,结晶矽太阳能电池的转换效率也逐渐达到极限,因此如何研发出新光电转换材料,获得更高的转换效率,也就成了全球太阳能的业者与学术专家的研究重点。


另外,虽然与其他材料相较,结晶矽材料的转换效率相当高,已经可以超过25%,不过其材料和制造成本相对也较高,不容易大幅降低。而结晶矽材料的太阳能电池,也因为受限于材料本身的特性,无法弯曲且厚度难以薄化,因此会有安装地点受限的局限性。事实上,将太阳的光能直接转化为电能的太阳能电池有多种类型,这取决于采用何种原材料来制作半导体结构。


除了上述的结晶矽材料之外,目前被重点研究的还有化合物材料、薄膜太阳能电池、有机太阳能电池……,以及在2009年发表的钙钛矿材料。这其中又以钙钛矿材料的可弯曲性,与超过35%的超高光电转换能力最受关注。


最初发表利用钙钛矿作为太阳能发电材料是桐荫横滨大学的宫?力教授,而用来吸收太阳光的钙钛矿晶体化学式为NH3CH3PbI3,其构造如图3,其外表为深褐色,对于可见光的利用率相当高。


宫?教授在2009年第一次发表论文时,由于转换效率只有3.8%,并不被太阳能发电产业所关注。随后,宫?教授与英国牛津大学共同研究下,在2012年实现了超过10%的转换效率后,迅速获得全球太阳能业者的兴趣,并且积极投入与钙钛矿相关技术的研究开发,例如在2017年韩国科学技术研究所(KRICT)在小面积钙钛矿太阳能电池上,更将转换效率提高到22.7%,已经达到可媲美结晶矽的转换能力。



图3 : 钙??矿晶体构造(source:日本科学技术振兴机构)
图3 : 钙??矿晶体构造(source:日本科学技术振兴机构)

钙钛矿材料可在低温下完成镀膜制程

利用钙钛矿来制作太阳能电池时,需要将钙钛矿材料形成薄膜(Thin Film),然后再进行镀膜制程。在制作过程中,不需要像矽晶为了减低晶格里的缺陷数量,必须长时间在摄氏900度的高温下进行,同时也不需要真空环境,在一般环境里就可以制作。


首先,将含有原料的溶液涂布在二氧化钛、氧化铝等金属氧化物的薄膜上,形成过氧化物晶体薄膜,这样的薄膜有一个特点,能够吸收波长为800奈米的可见光,吸收光子后,可以很快地分离成电子与电洞,传送到电极而产生电流。由于钙钛矿太阳能电池的制程相当容易,因此全球各机构都积极地展开相关研究。


不过,在此制程下的过氧化物薄膜技术,有个重要的问题需要被克服,那就是在制作过程使用了有毒材料。因为在形成过氧化物薄膜的过程中,需要使用到铅这样的元素,但由于铅是一种有毒金属,即使所使用的铅量非常小,还是会对制作过程或是未来使用后回收等,产生令人困扰的问题。


因此,目前对无铅过氧化物的研究,各国的业者或研究机构也都在加紧进行中。例如,最近中国与英国科学家合作研发出室内用、更加环保的无铅钙钛矿太阳能技术-启发式钙钛矿材料(perovskite-inspired materials;PIM),结构与典型卤化铅钙钛矿相似,虽然已经不能含有毒物质,但由于能隙较大,在户外的阳光下使用时,转换效率只有1%左右。不过,当在室内使用时,转换效率可以提高到4%~5%左右,虽然效率相当低、但已可勉强在室内应用。


在弯曲下仍可保持稳定转换性能

除了超高的转换效率外,钙钛矿太阳能技术还有一项特点,那就是矽结晶材料难以达到的可弯曲性。宫阪教授团队对这种柔性太阳能电池进行了100次以上的弯曲试验,其转换性能仍旧保持相当稳定,相信是一项极具发展前景的技术。


不过,在可商品化部分,事实上,东芝早在2018年6月就领先其他的机构,发表了703cm2钙钛矿太阳能电池。而在2021年9月,东芝进一步的对外公布了最新的可弯曲薄膜钙钛矿太阳能电池技术,这次的发表除了保持这个世界上最大的尺寸的同时,加快了成膜过程,也将转换效率维持在15.1%。也就是说,这样的转换效率、制程技术与面积都已经达到了商用化的程度。


就单纯转换效率而言,不是东芝而是Utomolight,透过涂布于玻璃基板,可让转换效率达到20.1%,松下也达到了17.9%。不过,以多应用为目标发展成可弯曲的薄膜技术前景下,采用玻璃基板的Utomolight和Panasonic就难以满足这样的期待。


换句话说,薄膜特性和高转换效率这两点都很重要,因此在该领域,东芝不仅实现了世界上可弯曲性能力下的最高转换效率外,更将太阳能电池尺寸保持在703cm2的大面积,而超越其他竞争对手(表1)。










































公司



基板技术



尺寸



转换效率



东芝



薄膜基板



703 cm2



15.1%



Solliance



薄膜基板



160 cm2



10.1%



Saule Technologies



薄膜基板



15.7 cm2



10.5%



PANASONIC



玻璃基板



804 cm2



17.9%



UtomoLight



玻璃基板



64 cm2



20.1%



表1现阶段钙钛矿太阳能电池研发现况(source:东芝;智动化整理)

东芝接下来的计画是,将薄膜钙钛矿太阳能电池使用寿命,从原先的10年延长到15年,并且将转换效率提高到18%,在实现这些的同时,预计在2025年正式量产薄膜钙钛矿太阳能电池(图4)。



图4 : 东芝预计在2025年正式量产薄膜钙??矿太阳能电池(source:东芝)
图4 : 东芝预计在2025年正式量产薄膜钙??矿太阳能电池(source:东芝)

钙钛矿的创新性只在日本申请专利

日本业界更有这么一说,如果在未来,钙钛矿得以被广泛应用的话,宫?力教授或许非常有机会因此获得诺贝尔奖。


不过可惜的是,这项技术除了日本之外,宫?教授尚未在其他各国申请专利。原因是每个国家和地区的专利申请、审查和注册等,都需要花费数百万日元或更多,所以宫?教授并没有在其他国家申请专利,宫?教授更表示,「我认为到目前为止这并不是一项伟大的技术」(图5)。



图5 : 日本业界认为,如果钙??矿被广泛应用,宫?力教授有机会获得诺贝尔奖。(source:桐荫学园)
图5 : 日本业界认为,如果钙??矿被广泛应用,宫?力教授有机会获得诺贝尔奖。(source:桐荫学园)

因此,这种技术钙钛矿太阳能电池的特色和优势,被全球太阳能发电的研发人员所了解后,各国无不极尽全力的开发这一技术,而相当可惜的事,这些投入的相关企业组织,无须支付宫?教授专利使用费。


结语

由于宫?教授未在全球登记专利,所以有投入研发的相关企业组织,更是疯狂的申请相关专利,这使得日本的产业评论家均都徒呼负负。同时也期望日本企业能在量产阶段的技术研发能领先其他国家,并且在这些技术上取得专利,让钙钛矿太阳能电池的主导权能重新掌握在日本手中。


*刊头图(source:Solliance Solar Research)


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