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【2023最新揭秘】鈣鈦礦太陽能電池全解析:探索基礎知識與最新開發趨勢

在近年的太陽能技術發展中,金屬鹵化物材料「鈣鈦礦」已經成為極受關注的焦點。儘管其名稱中不含鈣、鈦元素,且並非傳統意義上的礦物,鈣鈦礦卻擁有眾多獨特的特性,使其在太陽能領域備受期待。


鈣鈦礦的主要特點在於其輕盈、薄型、半透明的物理性質,這使得它可以方便地塗布於各種基材表面。從建築物的外牆、汽車表面,到窗簾乃至衣物,都有潛力成為發電和儲能的媒介。又能搭配矽晶或染敏電池,截長補短,成本比純單晶矽方案更低。這種材料的普及,預計將為太陽能電池領域帶來革命性的變化。


鈣鈦礦的三個主要特點:


各種常規發電方式的發電成本進行比較,如下



在太陽能電池的發展歷史中,第一代產品主要基於單晶矽和多晶矽技術,這些技術已發展多年,技術成熟度高。第二代太陽能電池則以薄膜技術為主,這些大多是基於非晶矽的電池,但其能源轉換效率相對較低。


目前,第三代太陽能技術包含了三種不同的技術路線:有機太陽能(OPV)、染敏太陽能(DSC)和鈣鈦礦太陽能(PSC)。在這三者中,鈣鈦礦太陽能技術的發展最為成熟,其能源轉換效率已突破25%,展現出巨大的商業應用潛力。


你知道嗎?鈣鈦礦太陽能電池的由來:


鈣鈦礦太陽能的多元應用前景不僅限於傳統能源領域,還可拓展至軍事、建築、農業、物聯網、航太等多個領域。這種技術的進步,不僅意味著更高的能源效率,還可能開創全新的商業模式,為太陽能技術的應用帶來前所未有的廣度和深度。



鈣鈦礦太陽能電池的未來:


資料來源自台灣鈣鈦礦科技
資料來源自台灣鈣鈦礦科技

那麼,我們來詳細探討一下鈣鈦礦太陽能電池的特點,首先從它的優勢著手。鈣鈦礦太陽能電池具有以下十大優勢:


  1. 適用於各種形状:鈣鈦礦太陽能電池可以應用於各種不同的形状,這增加了其實用性和多樣性。

  2. 輕薄特性:這種電池不僅輕巧還非常薄,這使得它們在安裝和運輸上非常便利。

  3. 高能源轉換效率:鈣鈦礦太陽能電池的能源轉換效率與傳統的矽型太陽能電池相當,這使得它們在效率上非常具有競爭力。

  4. 低成本:在生產過程中,這種電池的成本相對較低,這對於商業應用來說是一大優勢。

  5. 發電成本低:由於其高效率和低成本,使用鈣鈦礦太陽能電池的發電成本也相對較低。

  6. 弱光發電能力:即使在光線較弱的環境中,鈣鈦礦太陽能電池依然能有效發電。

  7. 國內可獲得的材料:製造鈣鈦礦太陽能電池所需的材料可以在國內輕易獲得,這對於本土產業發展是一大利好。

  8. 降低二氧化碳排放:矽太陽能電池是在1400℃的高溫下製造的,但鈣鈦礦太陽能電池可以在100℃的低溫下製造,這減少了製造過程中的二氧化碳排放量,進而對環境保護做出貢獻。

  9. 具有光透過性:這種太陽能電池具有一定的光透過性,這擴展了其在建築等領域的應用可能性。

  10. 可變顏色:鈣鈦礦太陽能電池可以根據需求改變顏色,這增加了它們的美觀性和適應性。


鈣鈦礦太陽能電池柔軟且可彎曲,可以透過塗層或印刷的方式製造,因此可以製成各種形狀的太陽能電池板。如果你想到“由薄膜狀材料製成的太陽能電池”,可能更容易想像這一點。由於它可以製成各種形狀,現在可以將太陽能電池安裝在以前無法安裝的地方。

資料來源自:企業省エネの教科書.
資料來源自:企業省エネの教科書.

最初,鈣鈦礦太陽能電池的能源轉換效率僅約3%,但隨著科技研究的進展,目前在1平方公分的面積上已能達到高達23%的轉換效率。這一數字與傳統的矽型太陽能電池(其轉換效率約為14%到20%)相當,展現了鈣鈦礦太陽能電池的巨大潛力。


雖然鈣鈦礦太陽能電池在面積增大時,其性能會出現一定的波動,但近年來的研究和開發已使得大面積的鈣鈦礦太陽能電池也能達到與傳統矽型太陽能電池接近的轉換效率。


在中國的製造商中,已經能夠實現超過20%的轉換效率,而日本國內的製造商也能夠在薄膜型太陽能電池上實現與矽型太陽能電池相當的轉換效率。這些進展不僅顯示了鈣鈦礦太陽能電池技術的快速發展,也預示著這一技術在未來太陽能市場中的重要地位。


2020年各發電成本
2020年各發電成本

高轉換效率和低製造成本意味著,如果能夠量產,「發電成本」將低於常規發電。從上圖可以看出,鈣鈦礦太陽能電池的發電成本預計是所有發電方式中最低的,更不用說常規太陽能發電和火力發電了。


鈣鈦礦太陽能電池的一大特點是即使在低光源下也能發電。傳統的矽太陽能電池除非有高照度的光才能發電,鈣鈦礦太陽能電池即使低照度下也能發電。因此,可以在多種情況下使用,例如早上和晚上、陰雨天氣、陽光較差的日子,甚至室內LED照明,因此可以用作電源室內物聯網設備。


以陸地面積計算的太陽能發電能力和以平地面積計算的太陽能發電能力
以陸地面積計算的太陽能發電能力和以平地面積計算的太陽能發電能力

如果鈣鈦礦太陽能電池普及,甚至在建築物的窗戶和牆壁上也可以產生太陽能,這將成為解決缺乏太陽能土地而導致再生能源引進放緩的問題。


透過使用鈣鈦礦太陽能電池,可以將太陽能發電引入窗戶和牆壁。可以增加需求區域的發電量。這將有助於減少遠端電力傳輸造成的損失。

串聯太陽能電池具有不同的轉換效率和可彎曲性
串聯太陽能電池具有不同的轉換效率和可彎曲性

根據所用材料的不同,串聯太陽能電池具有不同的轉換效率和可彎曲性。上表總結了電池面積為 1cm²或以上的每種太陽能電池的轉換效率和可彎曲性。如表所示,鈣鈦礦和矽結合的疊層太陽能電池具有33.7%的極高轉換效率。


然而,最近,東京城市大學開發了由鈣鈦礦和薄矽製成的串聯太陽能電池,可以提高轉換效率,同時也提供靈活性。


如上所述,鈣鈦礦太陽能電池不僅作為單一單元而且作為串聯太陽能電池正在開發和研究,並且有望成為高效能太陽能電池。


鈣鈦礦太陽能電池預計將有很大的用途,但也存在對其實際應用構成挑戰的問題(缺點)


需克服:壽命短缺

鈣鈦礦太陽能電池的缺點之一是它們的壽命比傳統太陽能電池短。矽太陽能電池的使用壽命約為20年,但鈣鈦礦太陽能電池在最初開發時的使用壽命較短,為5年,因此其壽命短是一個主要問題。目前研發工作正在取得進展,已開發出使用壽命超過10年的鈣鈦礦太陽能電池。


鈣鈦礦太陽能電池壽命短的主要原因是對紅外線和紫外線敏感,對水分敏感。鈣鈦礦具有吸濕性,當它們與濕氣發生反應時,它們往往會變質,從而降低轉換效率並縮短其壽命。導致戶外使用時較容易變質。


需克服:安全問題

鈣鈦礦太陽能電池的主要原料碘化鉛和碘甲烷,為此,國內外實驗室正在進行研究,看看是否可以使用可以取代鉛的原料來製造鉛。京都大學正在研究開發使用錫代替鉛,東院橫濱大學正在研究開發使用AgBi2I7。


需克服:難以增加面積

小面積(例如1平方公分)的太陽能電池可以產生足夠的電力,但隨著面積變大,性能會發生變化,因此製造大面積鈣鈦礦太陽能電池一直是一個挑戰。但是大面積鈣鈦礦太陽能電池近年來已開始實現。



日本廠商及科研院所發展趨勢:

機構名稱

研究進度

積水化學

開發薄膜型鈣鈦礦太陽能電池,壽命達10年,正在進行示範實驗。計劃建造世界上第一座巨型太陽能摩天大樓。

東芝

開發保持可彎曲性的薄膜類型,實現了15.1%的轉換效率。採用一步應用方法提高效率。

愛信

使用氧氣和水難以穿透的薄玻璃,耐久性達10年,轉換效率為13.08%。預計2025年開始示範實驗。

Enecourt Technologies

京都大學的新創公司,專注於鈣鈦礦太陽能電池的開發。薄膜型轉換效率16.9%,玻璃型19.2%。

KDDI

預計2024年在基地台使用鈣鈦礦太陽能電池進行展示實驗。

三井不動產

與京都大學聯合開發住宅用鈣鈦礦太陽能電池。

豐田

與京都大學新創公司聯手開發車用鈣鈦礦太陽能電池。

松下

計劃於2028年進軍鈣鈦礦太陽能電池業務,轉換效率為17.9%。

鐘化

薄膜型轉換效率近20%,目標2026年開始示範,專注於建材整合和窗牆式應用。

富士膠片

專注於鈣鈦礦材料研究,並在世界各國專利申請方面有影響力。

大專院校及科研院所

各大學和科研院所積極進行鈣鈦礦太陽能電池的研究和開發。

鈣鈦礦太陽能電池的發展與競爭現況

近年來,鈣鈦礦太陽能電池的技術革命已在全球範圍內引起了廣泛的關注。最初由日本發明的這種新型太陽能電池,以其高效率和低成本的特點,在國際能源市場中掀起了一波浪潮。


中國的動向: 在中國,鈣鈦礦太陽能電池的發展已進入了一個新階段。中國製造商不僅已獲得了大量的國內專利,更開始朝著大規模生產的方向邁進。然而,仍有關於這些電池耐用性的疑慮尚待解決。


日本的應對: 與此同時,日本廠商目前仍處於進行示範實驗的階段,尚未全面進入量產。2023年10月3日,日本首相岸田文雄宣布了一項雄心勃勃的計劃,力爭將商業化的目標提前到2025年,並預計到2035年,鈣鈦礦太陽能電池的全球市場規模將達到1兆日圓。


台灣的進展: TPSC)作為國內鈣鈦礦太陽能產業領導企業,在去年成功建立「水星一號線」 A4尺寸鈣鈦礦太陽能完整試產線,今年2月宣布完成Mercury 1-Base Line建立,並在投片生產上達成了穩定的良品率,這是一個驚人的成就!


【PaaS:創新商業模式的典範】 TPSC的「水星一號線」不僅是一條生產線,它還代表著一種全新的商業模式——Perovskite as a Service(PaaS)。這種模式允許更靈活、更創新的鈣鈦礦技術開發,讓TPSC在這一新興產業中佔據了獨特的地位。


【茄苳ZERO專案:邁向低碳未來】 為了實現零碳目標,TPSC計劃在新竹茄苳交流道附近的新建廠房啟動名為「茄苳ZERO」的新一代鈣鈦礦產線設計專案。這一舉措不僅展現了TPSC對環境保護的承諾,也預示著台灣將擁有首座低碳鈣鈦礦太陽能工廠。這個專案將專注於先進製程與應用開發,勢必對台灣乃至全球的太陽能產業產生深遠影響。


太陽能電池和再生能源領域的關注: 鈣鈦礦太陽能電池因其在太陽能電池和再生能源領域的潛力而受到業界的高度關注。這種新型太陽能電池不僅預示著能源效率的提高,還代表著成本的降低,這對於全球範圍內的能源轉型和可持續發展具有深遠的意義。


結語: 隨著技術的進步和市場的成熟,鈣鈦礦太陽能電池無疑將在全球能源舞台上扮演越來越重要的角色。對於日本及其他國家而言,如何平衡創新與市場佔有率的競爭,將是未來幾年的一大挑戰。


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【互動環節:你知道嗎?】

  1. 鈣鈦礦太陽能電池的優勢是什麼?

  •  A. 更高的成本

  •  B. 高能源轉換效率(V)

  •  C. 重量較重

  1. 「水星一號線」在哪方面取得了突破?

  •  A. 傳統太陽能板生產

  •  B. 鈣鈦礦太陽能全方位開發(V)

  •  C. 石油開採

  1. 「茄苳ZERO專案」的目標是什麼?

  •  A. 建立低碳鈣鈦礦太陽能工廠(V)

  •  B. 發展新型汽車

  •  C. 增加生產成本



參考文獻及圖片來源:

【2023年最新】ペロブスカイト太陽電池とは?基礎知識と開発動向;


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