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光電轉換材料新星--鈣鈦礦太陽能電池
全球期待的夢幻之光
[作者 盧傑瑞]   2021年10月20日 星期三 瀏覽人次: [1410]

高轉換效率的703cm2可彎曲薄膜型鈣鈦礦太陽能發電面板等材料的出現,將太陽能發電技術推向新里程碑,也讓太陽能發電,擔負著未來潔淨能源的發電重任。


太陽能發電的技術創新方面,過去10多年來,在全球的產學業界投入了巨大的研究能量下,使得技術研發與材料方面不斷出現新成果;例如SHARP衛星用化合物太陽能電面板,轉換效率已高達率37.9%,而在單晶矽太陽能發電面板方面,KANAKA轉換效率也可達26.7%,以及東芝在今(2021)年9月發表了全球達到15.1%的最高轉換效率的703cm2可彎曲薄膜型鈣鈦礦太陽能發電面板等,不斷地將太陽能發電技術推向新里程碑,也讓太陽能發電逐漸成為不可或缺的發電技術,擔負著未來潔淨能源的發電重任。


太陽能發電成本在過去8年內降低了1/4

根據國際能源署(IEA)統計,2020年可再生能源可發電量為2,994百萬瓩(Giga Watt;GW),約佔總發電量的38.4%,但到2030年時,占總發電量比例則將大幅度成長68.9%,達到10,293百萬瓩。而在2050年更突破200億瓩,達到26,568百萬瓩,更是佔總發電量的79.5%(圖1)。



圖1 : 全球電力設備發電量統計(累積、發電源別)  (source:國際能源署(IEA);智動化整理)
圖1 : 全球電力設備發電量統計(累積、發電源別) (source:國際能源署(IEA);智動化整理)

在太陽能設備市場規模方面,在2020年約為127 GW,但預計2030年將達到630GW(圖2),並且往後每年都呈現成長。在各國能源政策積極推動大規模太陽能發電資金投入下,在建置成本方面,已經下降到接近火力發電的水準,這可以從資本投資和運營/維護等,與發電相關的各種成本計算的均化能源成本(Levelized Cost of Energy;LCOE)來觀察。LCOE已經從2012年的217美元/MWh(兆瓦時),來到2020年的57美元/MWh,也就是說在過去的八年減少了大約四分之一(以全球平均為基礎)。觀察未來30年成本下降速度,雖然下降的速度會比以前慢,但仍舊會呈現進一步下降的態勢。而地區方面來看,印度和中國的LCOE也略低於歐洲和美國。



圖2 : 新建置太陽能發電量與成本  (source:國際能源署(IEA);智動化整理)
圖2 : 新建置太陽能發電量與成本 (source:國際能源署(IEA);智動化整理)

推動太陽能發電成本與建置成本不斷下降的主要原因,除了各國政府的新能源政策,以及人們對於環保概念意識的強化之外,更重要的是,不斷被突破的太陽能發電轉換效率,以及持續發表的新材料與架構。


研發新材料獲得更高的轉換效率成為研究重點

大多數人都認為,太陽能發電是利用玻璃面板上的結晶矽材料,將太陽的光能直接轉化為電能,但是矽材料只能吸收紅外或是近紅外光後,轉換成電力,除此之外的其他光波長只能轉換成熱,而這些熱又會對太陽能發電系統帶來一些困擾。


另一個重點是,結晶矽太陽能電池的轉換效率也逐漸達到極限,因此如何研發出新光電轉換材料,獲得更高的轉換效率,也就成了全球太陽能的業者與學術專家的研究重點。


另外,雖然與其他材料相較,結晶矽材料的轉換效率相當高,已經可以超過25%,不過其材料和製造成本相對也較高,不容易大幅降低。而結晶矽材料的太陽能電池,也因為受限於材料本身的特性,無法彎曲且厚度難以薄化,因此會有安裝地點受限的局限性。事實上,將太陽的光能直接轉化為電能的太陽能電池有多種類型,這取決於採用何種原材料來製作半導體結構。


除了上述的結晶矽材料之外,目前被重點研究的還有化合物材料、薄膜太陽能電池、有機太陽能電池……,以及在2009年發表的鈣鈦礦材料。這其中又以鈣鈦礦材料的可彎曲性,與超過35%的超高光電轉換能力最受關注。


最初發表利用鈣鈦礦作為太陽能發電材料是桐蔭橫濱大學的宮?力教授,而用來吸收太陽光的鈣鈦礦晶體化學式為NH3CH3PbI3,其構造如圖3,其外表為深褐色,對於可見光的利用率相當高。


宮?教授在2009年第一次發表論文時,由於轉換效率只有3.8%,並不被太陽能發電產業所關注。隨後,宮?教授與英國牛津大學共同研究下,在2012年實現了超過10%的轉換效率後,迅速獲得全球太陽能業者的興趣,並且積極投入與鈣鈦礦相關技術的研究開發,例如在2017年韓國科學技術研究所(KRICT)在小面積鈣鈦礦太陽能電池上,更將轉換效率提高到22.7%,已經達到可媲美結晶矽的轉換能力。



圖3 : 鈣鈦礦晶體構造(source:日本科學技術振興機構)
圖3 : 鈣鈦礦晶體構造(source:日本科學技術振興機構)

鈣鈦礦材料可在低溫下完成鍍膜製程

利用鈣鈦礦來製作太陽能電池時,需要將鈣鈦礦材料形成薄膜(Thin Film),然後再進行鍍膜製程。在製作過程中,不需要像矽晶為了減低晶格裡的缺陷數量,必須長時間在攝氏900度的高溫下進行,同時也不需要真空環境,在一般環境裡就可以製作。


首先,將含有原料的溶液塗佈在二氧化鈦、氧化鋁等金屬氧化物的薄膜上,形成過氧化物晶體薄膜,這樣的薄膜有一個特點,能夠吸收波長為800奈米的可見光,吸收光子後,可以很快地分離成電子與電洞,傳送到電極而產生電流。由於鈣鈦礦太陽能電池的製程相當容易,因此全球各機構都積極地展開相關研究。


不過,在此製程下的過氧化物薄膜技術,有個重要的問題需要被克服,那就是在製作過程使用了有毒材料。因為在形成過氧化物薄膜的過程中,需要使用到鉛這樣的元素,但由於鉛是一種有毒金屬,即使所使用的鉛量非常小,還是會對製作過程或是未來使用後回收等,產生令人困擾的問題。


因此,目前對無鉛過氧化物的研究,各國的業者或研究機構也都在加緊進行中。例如,最近中國與英國科學家合作研發出室內用、更加環保的無鉛鈣鈦礦太陽能技術-啟發式鈣鈦礦材料(perovskite-inspired materials;PIM),結構與典型滷化鉛鈣鈦礦相似,雖然已經不能含有毒物質,但由於能隙較大,在戶外的陽光下使用時,轉換效率只有1%左右。不過,當在室內使用時,轉換效率可以提高到4%~5%左右,雖然效率相當低、但已可勉強在室內應用。


在彎曲下仍可保持穩定轉換性能

除了超高的轉換效率外,鈣鈦礦太陽能技術還有一項特點,那就是矽結晶材料難以達到的可彎曲性。宮阪教授團隊對這種柔性太陽能電池進行了100次以上的彎曲試驗,其轉換性能仍舊保持相當穩定,相信是一項極具發展前景的技術。


不過,在可商品化部分,事實上,東芝早在2018年6月就領先其他的機構,發表了703cm2鈣鈦礦太陽能電池。而在2021年9月,東芝進一步的對外公布了最新的可彎曲薄膜鈣鈦礦太陽能電池技術,這次的發表除了保持這個世界上最大的尺寸的同時,加快了成膜過程,也將轉換效率維持在15.1%。也就是說,這樣的轉換效率、製程技術與面積都已經達到了商用化的程度。


就單純轉換效率而言,不是東芝而是Utomolight,透過塗佈於玻璃基板,可讓轉換效率達到20.1%,松下也達到了17.9%。不過,以多應用為目標發展成可彎曲的薄膜技術前景下,採用玻璃基板的Utomolight和Panasonic就難以滿足這樣的期待。


換句話說,薄膜特性和高轉換效率這兩點都很重要,因此在該領域,東芝不僅實現了世界上可彎曲性能力下的最高轉換效率外,更將太陽能電池尺寸保持在703cm2的大面積,而超越其他競爭對手(表1)。










































業者



基板技術



尺寸



轉換效率



東芝



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現階段鈣鈦礦太陽能電池研發現況(source:東芝;智動化整理)

東芝接下來的計畫是,將薄膜鈣鈦礦太陽能電池使用壽命,從原先的10年延長到15年,並且將轉換效率提高到18%,在實現這些的同時,預計在2025年正式量產薄膜鈣鈦礦太陽能電池(圖4)。



圖4 : 東芝預計在2025年正式量產薄膜鈣鈦礦太陽能電池(source:東芝)
圖4 : 東芝預計在2025年正式量產薄膜鈣鈦礦太陽能電池(source:東芝)

鈣鈦礦的創新性只在日本申請專利

日本業界更有這麼一說,如果在未來,鈣鈦礦得以被廣泛應用的話,宮?力教授或許非常有機會因此獲得諾貝爾獎。


不過可惜的是,這項技術除了日本之外,宮?教授尚未在其他各國申請專利。原因是每個國家和地區的專利申請、審查和註冊等,都需要花費數百萬日元或更多,所以宮?教授並沒有在其他國家申請專利,宮?教授更表示,「我認為到目前為止這並不是一項偉大的技術」(圖5)。



圖5 : 日本業界認為,如果鈣鈦礦被廣泛應用,宮?力教授有機會獲得諾貝爾獎。(source:桐蔭學園)
圖5 : 日本業界認為,如果鈣鈦礦被廣泛應用,宮?力教授有機會獲得諾貝爾獎。(source:桐蔭學園)

因此,這種技術鈣鈦礦太陽能電池的特色和優勢,被全球太陽能發電的研發人員所了解後,各國無不極盡全力的開發這一技術,而相當可惜的事,這些投入的相關企業組織,無須支付宮?教授專利使用費。


結語

由於宮?教授未在全球登記專利,所以有投入研發的相關企業組織,更是瘋狂的申請相關專利,這使得日本的產業評論家均都徒呼負負。同時也期望日本企業能在量產階段的技術研發能領先其他國家,並且在這些技術上取得專利,讓鈣鈦礦太陽能電池的主導權能重新掌握在日本手中。


*刊頭圖(source:Solliance Solar Research)


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