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光伏“新秀”鈣鈦礦電池嶄露頭角
來源： 科技日報
作者：南皮縣產(chǎn)學(xué)研科技成果轉(zhuǎn)化服務(wù)中心
日期：
2023-06-24
今年4月，七國集團(tuán)氣候、能源和環(huán)境部長會議發(fā)布《聯(lián)合聲明》稱，將“推進(jìn)鈣鈦礦太陽能電池等領(lǐng)域的技術(shù)革新”，鈣鈦礦太陽能電池這一能源領(lǐng)域的“新秀”引發(fā)強(qiáng)烈關(guān)注。
近日，《日本經(jīng)濟(jì)新聞》也集結(jié)部分專家，對太陽能、風(fēng)能、核電、二氧化碳回收等5個領(lǐng)域備受矚目的11項(xiàng)脫碳技術(shù)的普及程度進(jìn)行了評估，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在即將實(shí)現(xiàn)商用的領(lǐng)域中，最引人關(guān)注的是下一代太陽能電池——鈣鈦礦電池，其可能成為能源行業(yè)的“游戲規(guī)則改變者”。
專家指出，鈣鈦礦太陽能電池憑借高效率、低成本、低能耗、應(yīng)用場景豐富等特點(diǎn)，在降低光伏成本革命中備受關(guān)注，但其耐用性和穩(wěn)定性仍需進(jìn)一步提高。
下一代技術(shù)蓄勢待發(fā)
2013年，《科學(xué)》雜志評選十大突破，鈣鈦礦太陽能電池入選，被稱為最有前景的下一代光伏技術(shù)。
《日本經(jīng)濟(jì)新聞》在報道中指出，當(dāng)前，鈣鈦礦電池主要有單結(jié)鈣鈦礦電池和疊層鈣鈦礦電池。疊層鈣鈦礦電池指鈣鈦礦層可堆疊在彼此之上，也可堆疊在傳統(tǒng)晶硅太陽能電池之上，形成能吸收更寬太陽光譜的“串聯(lián)”電池。
據(jù)美國《華爾街日報》網(wǎng)站近日報道，單結(jié)鈣鈦礦電池的理論轉(zhuǎn)換效率可達(dá)33%，而鈣鈦礦/硅串聯(lián)電池的理論轉(zhuǎn)化效率可達(dá)43%，都超過單晶硅電池29.4%的理論轉(zhuǎn)換效率。今年6月，阿卜杜拉國王科技大學(xué)稱，該校研制的鈣鈦礦/硅串聯(lián)太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率高達(dá)33.7%，創(chuàng)下世界紀(jì)錄。
此外，鈣鈦礦電池還具有輕、薄、可彎曲等特點(diǎn)，可鋪設(shè)在傳統(tǒng)硅基電池?zé)o法覆蓋的墻壁表面或列車車頂，操作工序十分簡單，且價格幾乎減半。東京大學(xué)教授瀨川浩司的測算顯示，到2030年日本鈣鈦礦電池覆蓋的面積最大可達(dá)470平方公里，發(fā)電能力為600萬千瓦，相當(dāng)于6個核電站。
法蘭西島光伏研究所項(xiàng)目總監(jiān)格雷戈里·馬克表示，鈣鈦礦層比硅層薄很多，使用的材料減為約1/100。而且，這些材料可在較低的溫度下加工，從而節(jié)省能源、減少排放。
引國際投資熱潮
在全球脫碳浪潮下，硅基電池的性能正在接近其理論極限，鈣鈦礦太陽能技術(shù)已成為眾多企業(yè)眼中的“香餑餑”。
歐洲PEPPERONI項(xiàng)目于去年11月1日啟動，旨在推進(jìn)歐洲大陸的疊層太陽能光伏電池的制造和產(chǎn)能，重點(diǎn)關(guān)注鈣鈦礦/硅疊層電池，這一項(xiàng)目將持續(xù)4年，由“歐洲地平線”計劃與瑞士教育、研究和創(chuàng)新秘書處共同資助。
法國光伏組件商Voltec Solar和法蘭西島光伏研究所合作，計劃到2030年建設(shè)一處規(guī)模達(dá)5吉瓦的鈣鈦礦/硅串聯(lián)太陽能電池“超級工廠”。法蘭西島光伏研究所總經(jīng)理羅杰·德羅茲多夫斯基-施特雷爾表示，這是一場技術(shù)革命，與傳統(tǒng)技術(shù)目前可實(shí)現(xiàn)的最佳效率相比，它不僅能夠在光伏組件層面實(shí)現(xiàn)30%的效率，還能通過利用回收材料，減少能耗和材料消耗。Voltec Solar公司總經(jīng)理盧卡斯·韋斯則強(qiáng)調(diào)，串聯(lián)技術(shù)將是未來十年的主導(dǎo)光伏技術(shù)。
英國牛津光伏公司計劃今年推出其商用鈣鈦礦/硅疊層電池，預(yù)計轉(zhuǎn)換效率為27%。該公司也計劃在德國柏林附近擴(kuò)建其試點(diǎn)工廠，并在2030年左右將生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大到10吉瓦。
耐用性和可靠性亟待完善
據(jù)麻省理工學(xué)院（MIT）網(wǎng)站報道，雖然鈣鈦礦顯示出巨大的前景，多家公司已經(jīng)開始進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)，但耐用性仍然是其面臨的最大障礙。硅太陽能電池板在使用25年后，仍能保持25%的功率輸出，但鈣鈦礦電池下降得很快。
不過，科學(xué)家們已經(jīng)取得重大進(jìn)展：鈣鈦礦太陽能電池的“壽命”從最初的幾小時，增加到幾周、幾個月，最新“出爐”電池的使用壽命可長達(dá)幾年。
澳大利亞新南威爾士大學(xué)工程學(xué)教授馬丁·格林表示，鈣鈦礦制造商需要證明電池板的使用壽命為25—30年，這是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。牛津光伏公司首席技術(shù)官克里斯·凱斯稱，該公司已將其鈣鈦礦/硅疊層電池設(shè)計為達(dá)到或超過25年的使用壽命。
MIT光伏研究實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人托尼奧·博納西西指出，鈣鈦礦的一個優(yōu)點(diǎn)是它們在實(shí)驗(yàn)室中相對容易制造，其化學(xué)成分很容易組裝，但材料在室溫下容易結(jié)合在一起，也容易分開。
為解決這一問題，有些研究人員使用各種保護(hù)材料來封裝鈣鈦礦，使其免受空氣和潮濕的影響。
博納西西參與的一項(xiàng)研究表明，一旦鈣鈦礦的使用壽命超過10年，加上其制造成本低廉，就能在很多大型公用事業(yè)場所替代硅基太陽能電池。
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