【山巨源專欄】新型太陽能電池是綠色能源的未來嗎？

將鈣鈦礦-矽「串聯」光伏產品商業化的公司表示，這些電池板將更加高效，並且可以帶來更便宜的電力。馬克·佩普洛Mark Peplow發表在最新一期《自然》(Nature)的<新型太陽能電池問世：它是綠色能源的未來嗎？>(A new kind of solar cell is coming: is it the future of green energy?)指出，在德國哈佛爾河畔勃蘭登堡郊區，坐落著兩層樓的工廠，周圍遍布汽車經銷商和五金店，裡面充滿了太陽能的秘密。在這裡，英國公司Oxford PV正在使用鈣鈦礦生產商業太陽能電池：廉價、豐富的光伏 (PV) 材料，有些人被譽為綠色能源的未來。這家工廠周圍環繞著雜草叢生的停車場，是這種潛在變革技術的搖籃，但該公司的技術長克里斯凱斯顯然很喜歡這個地方。“這是我夢想的頂峰，”他說。
明年年中牛津光伏電池製成的太陽能板將面世
該公司是十幾家押注鈣鈦礦最終將推動全球轉型為再生能源的公司之一。一些基於鈣鈦礦的光伏產品已經上市，但今年的公告表明還有更多產品將加入其中。例如，凱斯表示，最終用戶應該會在明年年中左右獲得由牛津光伏電池製成的太陽能板。今年 5 月，總部位於首爾的大型矽光伏製造商 Hanwha Qcells 表示，計劃投資 1 億美元建造一條試生產線，該生產線可能在 2024 年底投入營運。
矽是 95% 太陽能板的主力材料。Oxford PV、Qcells 和其他公司並沒有取代它，而是利用它——在矽上分層鈣鈦礦來製造所謂的串聯電池。由於每種材料都會吸收不同波長的陽光能量，因此串聯電池的發電量可能比單獨的矽電池至少多 20%；一些科學家預計會有更大的收穫。
鈣鈦礦支持者表示，這些額外的電力足以抵消串聯電池的額外成本，特別是在擁擠的城市地區或空間寶貴的工業場所。「我們最大的初始需求來自公用事業公司，因為他們根本沒有足夠的可用土地，」凱斯說。
太陽能下一個明星材料背後的現實
隨著鈣鈦礦-矽串聯材料越來越接近市場，人們興奮地預測一種「革命性」「奇蹟材料」即將「改變世界」。現實情況是，該產業在太陽能市場轉型之戰中至少面臨兩大挑戰。首先，已發表的研究表明，當鈣鈦礦暴露在潮濕、高溫甚至光照下時，其性能下降的速度比矽快得多。牛津光伏公司表示，它已經進行了私人研究，解決了這個問題。但“對於商業製造，我認為穩定性是仍然存在的關鍵挑戰”，Qcells 晶圓和電池研發總監 Fabian Fertig 表示，他領導該公司鈣鈦礦-矽串聯電池的開發。
其次，一些分析師認為鈣鈦礦——至少在短期內——與太陽能的成長基本上無關。在過去的十年裡，矽模組變得非常便宜和高效，中國的公司繼續以驚人的速度擴大製造能力。到 2022 年，全球太陽能發電量約為 1.2 太瓦 (TW)，約佔全球發電量的 5%。能源策略家表示，到 2050 年，世界將需要 75 TW 才能實現氣候目標。這需要到 2030 年中期每年安裝量增加到 3 TW 以上1，但矽光伏行業預計將實現這一目標，使其成為少有的步入正軌的綠色技術領域之一
使用的盡可能多的太陽能電力
瑞士蘇黎世諮詢公司 BloombergNEF 的太陽能分析師珍妮·蔡斯 (Jenny Chase) 表示：“我們擁有的技術絕對足以產生我們在世界各地使用的盡可能多的太陽能電力。”因此，鈣鈦礦即將面臨最大的考驗：面對競爭激烈的光電市場的殘酷經濟。透過調整晶體和由鈣鈦礦製成的太陽能電池的成分，鈣鈦礦的性能得到顯著改善，從而維持了人們對鈣鈦礦的熱情。（術語「鈣鈦礦」描述了天然礦物的晶體結構；太陽能電池中使用的鈣鈦礦是模仿這種結構的合成晶體，但可以由許多材料製成。）
2009 年，一種由簡單的鈣鈦礦（稱為甲基碘化鉛銨）製成的電池僅將 3.8% 的陽光能量轉化為電能。現在，僅由鈣鈦礦材料製成的電池的效率記錄為 26.1%。這僅比冠軍矽電池低一個百分點（請參閱「鈣鈦礦效率增益」）。更重要的是，鈣鈦礦電池需要非常薄的光吸收層，所涉及的材料通常成本低廉且豐富。這導致支持者認為，如果鈣鈦礦電池按照矽電池的規模生產，它們的能源和材料足跡將會更低。
中國杭州的 MicroQuanta 已交付足夠的鈣鈦礦太陽能板
資料來源：美國國家再生能源實驗室。然而，這些創紀錄的效率比較並不能反映商業現實。實驗室製造的最好的鈣鈦礦電池通常比郵票還小——目前的領先者更接近芝麻籽的大小——而且它們可能只能運行幾天或幾週，然後性能就會下降。它們通常是透過將材料溶液滴到旋轉板上的一種稱為旋塗的工藝來製造的，這對於大規模製造來說是不切實際的。英國牛津大學的亨利·斯奈思（Henry Snaith）是牛津光伏公司的聯合創始人兼首席科學官，他表示：“大多數關於非常高效率的報告中都含有明顯會導致不穩定的組件。” 製造大型電池並將其整合到太陽能電池板中的實用性進一步限制了現實世界的效率。
已推出市場的非串聯鈣鈦礦電池效率相對較低，壽命較短。總部位於華沙的 Saule Technologies 生產柔性鈣鈦礦電池，為小型電子價格標籤供電或用作能量收集遮陽簾，在充足的陽光下效率為 10%，使用壽命為「數年」。中國杭州的 MicroQuanta 已交付足夠的鈣鈦礦太陽能板，為其客戶（包括當地的養魚場）提供 5 兆瓦 (MW) 的電力。它們的效率約為 13%，其性能下降速度是矽模組的兩倍。「此時此刻，我不得不承認鈣鈦礦還沒有矽那麼穩定，」該公司聯合創始人兼首席技術長顏步一說道。
商用矽電池保證 25 年後至少能保持其原始性能的 80%
商用矽電池通常比 A5 紙還要大，它們被組裝成 2 公尺長的模組（更大面板和陣列的構建塊），效率約為 22-24%。這些模組通常附帶保修，保證 25 年後至少能保持其原始性能的 80%，即每年效率損失不到 1%。
構成這些產品的大部分電池和幾乎所有矽片均在中國製造，自 2009 年鈣鈦礦首次亮相以來，規模經濟和技術進步已將太陽能電池板的成本降低了約 90%。事實上，現在安裝矽面板並將其連接到電網的成本比最初製造它的成本還要高2。Chase 表示，矽太陽能電池陣列整個生命週期內的典型發電成本目前低至每千瓦時 0.03-0.06 美元，使其成為大多數陽光明媚國家最便宜的電力來源。
添加鈣鈦礦電池有可能使電池板的發電量增加 25-50%
蔡斯表示，與矽的成功故事相比，鈣鈦礦產品不太可能顛覆太陽能市場。「沒有人想要一個不能使用 25 年的太陽能模組。他們只是不值得。”但鈣鈦礦的支持者表示，串聯電池在其他方面優於矽。矽電池正接近峰值性能：理論預測其效率不會超過 29%，而實際模組的效率最高可能達到 24-27% 3左右。「我們已經達到了矽的合理利用極限，」劍橋麻省理工學院 (MIT) 的光伏研究員托尼奧·布奧納西西 (Tonio Buonassisi) 說。然而，添加鈣鈦礦電池的理論最大效率約為 45%。「它有可能使電池板的發電量增加 25-50%。我認為這是一個令人興奮的願景，」科羅拉多大學博爾德分校的鈣鈦礦研究員 Michael McGehee 說。
在典型的串聯裝置中，鈣鈦礦電池位於矽電池上方；每個電池都由多層組成，所有這些層都在將光轉化為電能的過程中發揮作用（請參閱「串聯太陽能電池的剖析」）。陽光首先照射到鈣鈦礦並從材料中釋放電子，留下帶正電的「電洞」。電子進入相鄰的電荷收集層，然後到達電極；空穴向相反方向遷移。類似的過程也發生在矽電池中，矽電池更能吸收鈣鈦礦電池錯過的低能量光子。對鈣鈦礦電池的化學和奈米級工程的研究已經帶來了性能改進，並迅速轉化為更好的串聯電池。11月初，總部位於西安的中國太陽能巨頭隆基宣布，已製造出尺寸為1平方公分的串聯電池，其獨立驗證的效率記錄為33.9%。
節儉的做法
製造商尚未展示商業規模串聯電池的這種效率，但五月，Oxford PV 宣布推出性能最高的鈣鈦礦-矽串聯電池，其效率為 28.6%。儘管該設備比典型的矽電池稍小，但該公司的勃蘭登堡工廠現在正在生產更大的串聯電池，這些電池正在組裝成全尺寸模組，效率約為24%，而且這個數字還在繼續上升。
牛津光電的製造流程從矽片開始，矽片大部分從中國進口。晶圓穿過一系列類似連體冰箱的室。在內部，離子雲透過稱為物理氣相沉積的過程形成細胞層。它比基於溶液的方法慢，但可以生產出質量極高的薄膜。鈣鈦礦電池的製造過程類似。
該公司於 2016 年從德國製造商博世手中收購了勃蘭登堡工廠，並配備了太陽能電池生產設備。「最初，幾乎所有我們在拍賣中獲得或使用過的東西，」凱斯顯然很高興地說。他對太陽能創新的節儉態度可以追溯到 20 世紀 80 年代——作為一個熱情的 20 多歲的人，他購買了成堆打折的光伏電池，為自己的「太陽能房屋」建造模組。這種自己動手的方法在工廠中得到了體現：例如，Case 採用專門加工的框架，以便 Oxford PV 的電池與博世的傳統設備相容。
成品串聯電池交付給 Oxford PV 的客戶：主要是歐洲太陽能板製造商，他們將電池組裝成更大的模組。目前，這些製造商仍在對模組進行自己的測試。可能要到 2024 年底才能為最終用戶安裝任何設備，其中包括已經訂購模組的大型建築公司和能源公司。
矽基鈣鈦礦串聯太陽能電池可望徹底改變太陽能光電。
該工廠全力運轉，每年可生產高達 50 MW 的電池——約 500 萬個。但與中國每年生產千兆瓦 (GW) 電池的大型矽太陽能發電廠相比，這只是小事一樁。由於其營運規模較小，Oxford PV 串聯電池的製造成本是矽電池的兩倍。
但凱斯表示，如果牛津光電公司也能實現千兆瓦規模的生產，那麼價格差異將大幅下降，這將使串聯電池的發電成本低於矽組件的發電成本。
距離勃蘭登堡工廠以南約 90 分鐘車程的塔爾海姆 (Thalheim) 是 Oxford PV 的競爭對手之一，正在測試自己的串聯原型機。在歐洲補貼開始枯竭、亞洲公司逐漸主導太陽能市場之前，塔爾海姆及其周邊地區是光伏製造的中心地帶，也被稱為「太陽谷」。在這裡，Qcells 擁有龐大的光伏研發設施。Qcells 沒有凌亂的草坪，相反，小型機器人割草機在地面上滾動，將草坪修剪整齊，然後返回太陽能車庫。
在該基地的一棟巨大建築內，Qcells 進行了「加速老化」測試，以檢查其矽模組是否堅固，包括將模組密封在潮濕、類似桑拿房的條件下約四個月，將它們暴露在明亮的模擬陽光下，並用人造光源轟擊它們。冰雹。（儘管這些測試是行業標準，但 Qcells 因使用特別極端的條件而感到自豪。）它對串聯電池進行了類似的測試，並將結果用於預測在多年的實際使用中功率輸出將如何下降。
太空中的太陽能板能為地球提供清潔能源嗎？
穩定性測試的細節可能決定鈣鈦礦串聯的成敗。鈣鈦礦的效率記錄佔據了頭條新聞，但直到最近幾年，研究人員才開始在其壽命方面取得重大進展。「穩定性確實是瓶頸，」坎培拉澳洲國立大學鈣鈦礦研究員沈和平說。
儘管鈣鈦礦有一個在與空氣或水接觸時分解的壞習慣，但可以透過將串聯電池封裝在不滲透塗層中來防止這種情況，這是太陽能產業的常見策略。但是，與矽不同，鈣鈦礦還具有封裝無法解決的內置降解機制。例如，一些鈣鈦礦離子可以在操作過程中四處移動，或逃逸到相鄰層。這會產生缺陷，使電子和電洞在轉化為電能之前重新結合，從而浪費了產生它們的能量。光和熱往往會加劇這些降解機制。
為了將鈣鈦礦離子保持在正確的位置，研究人員對其成分進行了微調，並向細胞添加了奈米厚的保護層。證明這些措施有效是歐盟耗資 1,900 萬歐元（2,070 萬美元）的PEPPERONI 計畫的一項關鍵任務，該計畫是 2022 年 11 月啟動的學術與工業合作夥伴關係，其中包括 Qcells。這個為期四年的專案旨在開發效率為 26% 的串聯模組，該模組可以可靠運行 30 年以上，並且適合大規模製造。Fertig 表示，如果這些可以大規模生產，它們應該能夠以每千瓦時 0.025 歐元的典型成本發電——與矽光伏發電相比具有競爭力。
柏林工業大學鈣鈦礦研究員史蒂夫·阿爾布雷希特（Steve Albrecht）表示：“材料、成分、工藝，一切都朝著在不久的將來該技術可以大規模推廣的方向發展。” 他還在柏林亥姆霍茲材料與能源中心領導了一個參與 PEPPERONI 的團隊。
尋找鈣鈦礦耐久性
一些研究人員和公司認為，鈣鈦礦可能不需要與矽相匹配的 25 年保固。鈣鈦礦的改進速度如此之快，如果某個模組的性能在其前 15 年的使用壽命內有所下降，只需更換為更好的單元6。這種重新供電策略對於較舊的矽太陽能發電場越來越普遍，在這些發電場中，更有效率的技術所帶來的經濟效益超過了拆除和更換老化模組的成本。
政治考量也推動了對鈣鈦礦的投資。在歐洲，更多的再生能源意味著減少對俄羅斯天然氣供應的依賴，而在《2022年通膨削減法案》的支出和稅收減免的推動下，美國正試圖減少對中國光伏供應鏈的依賴。一些公司認為，實現這一目標的最佳方法是完全避免使用矽。一些公司正在開發全鈣鈦礦串聯結構，其中包含兩種鈣鈦礦材料，可調整吸收光譜的不同部分。「這意味著你的供應鏈得到了極大的簡化，」位於加州聖卡洛斯的 Swift Solar 聯合創始人 Tomas Leijtens 說道，該公司正在研究這些無矽串聯電池。
矽技術的進步縮小了鈣鈦礦電池的市場空間？
儘管如此，許多中國公司也在研究鈣鈦礦-矽串聯裝置，如果設備成功，這些裝置可能會進入市場。沈說，例如，隆基有超過 100 名員工從事鈣鈦礦研發。
「我認為在太陽能製造領域做空中國是非常不明智的，」蔡斯說。她補充說，最重要的是，太陽能板的效率不再是全球太陽能發電的限制。相反，瓶頸在於缺乏太陽能電網基礎設施，以及儲存過剩電力的電池成本高昂。她認為，在未來十年左右的時間裡，鈣鈦礦串聯是否成功並不重要——除了對相關公司而言。「我祝他們好運，但不管有沒有鈣鈦礦，太陽能都將是巨大的，」她說。
然而，史奈思不同意矽技術的進步縮小了鈣鈦礦電池的市場空間。他說，矽光伏技術的任何改進也有利於串聯，使它們比以往任何時候都更具吸引力。「我們確實是在矽上建構的。如果矽變得更好，我們就會變得更好。”