彎曲自如的太陽能電池：隨處皆可設置，未來將實現「全城發電」？（前篇）

「輕薄靈活，彎曲自如」的新型太陽能電池（鈣鈦礦太陽能電池）研發正引起廣泛關注。由於安裝靈活，不受場地限制，未來或許可以取代現有設置場地受限的傳統太陽能板。面對日益嚴重的「全球暖化危機」，此項技術的普及推廣，有望為減緩溫室效應氣體排放作出貢獻。

太陽能發電迎來轉捩點

為了減少二氧化碳等溫室效應氣體排放，政府大力推動的太陽能發電正迎來轉捩點。為了促進太陽能板的普及，長期以來，強制電力公司以高價收購電力，以及地方政府提供額外補貼等措施，然而與鄰近居民的各種糾紛開始引人側目。

隨著土石流沖刷而下的太陽能板。圖片來源：日本經濟產業省

根據日本總務省的調查顯示，在全國太陽能發電普及的市町村之中，四成地區已出現各種問題。在地價低廉且日照充足的斜坡地帶設置的發電設施，屢見大雨引發的土石流災害；此外，還有居民投訴「太陽能板的反射光炫目刺眼」等問題。由於太陽能發電業者事前未向當地居民充分說明，導致設施完成後的紛爭不斷。

日本政府為實現「2050年碳中和（實質達成二氧化碳零排放）」而提出中期目標：擬在2030年將太陽能發電比例提升至2019年度的兩倍以上，達到14%至16%。然而，根據日本資源能源廳的資料，國土面積狹小的日本，其平地面積的太陽能設備容量已遠遠超過其他主要國家，目前可供設置的空間已然捉襟見肘。

異常酷暑與暴雨等氣候變化日益嚴峻。雖然能源領域占溫室效應氣體排放的八成以上，然而地震災害頻繁，導致在重啟核電的問題上，仍存在諸多疑慮不安。因此，如何有效擴大再生能源的比例，考驗著人類的智慧。

設置場所不受限

在如此背景之下，薄膜式「可彎曲太陽能電池」的研發備受矚目。

太陽能電池的原理乃利用半導體受光後產生電流的特性。既有的太陽能板以易碎的矽為發電材料，需以玻璃板保護，導致每平方公尺的重量高達約10公斤。相較之下，新型電池僅需在薄膜上「塗抹」具特殊鈣鈦礦（Perovskite）晶體結構的化合物作為發電材料。雖然上下仍需覆蓋保護層，但極為輕薄且可彎曲。其重量更僅為傳統矽晶太陽能電池的十分之一。

此特性開創了有別於傳統太陽能板的嶄新用途，使得各大製造商競相投入研發。日本的積水化學工業計劃於2025年推出量產商品，目前來自各行各業與地方政府的諮詢不斷湧入，應接不暇。

即使預估初期售價偏高，然而該公司PV（譯註：photovoltaics，太陽能光電系統，亦稱光生伏特，簡稱光伏）專案負責人森田健晴表示：「若考慮到未來可能實施碳稅，採用新型太陽能電池或許更具成本效益。再者，不少大企業也意識到此舉能提升企業價值並彰顯社會責任。」

手持「可彎曲太陽能電池」試作原型的積水化學工業森田健晴（筆者攝影）

東京內幸町1丁目街區開發計劃擬建高樓完工示意圖。圖片來源：東京電力Power Grid

新型太陽能電池製造商正關注那些無法安裝傳統的矽晶太陽能板且日照充足之處，例如工廠與倉庫屋頂。由於這些建築物的屋頂通常較薄且承重能力有限，所以大多設置輕量化的新型太陽能電池。如同積水化學在作為東京港玄關的東京國際郵輪碼頭所進行的實際驗證所示，此可彎曲特性使其足以貼附於柱狀等曲面結構上（請參考橫幅照片）。

垂直牆面亦是傳統太陽能電池未能慮及的盲點。2028年度預計在東京日比谷（內幸町1丁目）再開發區域完工的43層超高層建築，將於外牆內側採用該公司的新型太陽能電池，打造一棟「發電大樓」。預計發電量將可超過1000瓩。

此外，住宅外牆亦可加以利用。在多雪地區，屋頂太陽能電池往往難以發揮作用，然而若將其貼附於外牆，即使是短暫的晴朗天氣，亦可藉由反射光進行發電。

2050年之願景

由於生產設備投資及折舊率之故，導致「可彎曲太陽能電池」初期售價偏高。然而，隨著量產規模擴大，成本終將降低，有利推廣普及。東芝能源系統公司計劃盡快於2025至2030年度之間推出產品，預期至2050年為止，此技術將可廣泛應用於都會區各處。

「可彎曲太陽能電池」於都市區域佈設之未來願景圖。圖片提供：東芝Copyright©2021-2024 TOSHIBA CORPORATION, All Rights Reserved.

價格親民之後，應用範圍將更加廣泛。該公司表示，於人力短缺的農業領域，可在溫室貼附「可彎曲太陽能電池」，藉此自動化溫濕度調控，以及無人機噴灑農藥與肥料，實現節省人力的目標。此外，若遇上重大災難，可以大量鋪設於地面充當緊急電源的「可捲曲太陽能電池」，亦在開發考量之內。

東芝能源系統公司曾與東京都合作，在溫室實際驗證「可彎曲太陽能電池」。圖片來源：東京都農林綜合研究中心

此外，東芝亦認為：「僅需適度的自然光，『可彎曲太陽能電池』即可於室內發電」（次世代太陽能電池事業策略組長櫻井雄介），並與東京都共同驗證室內發電的效率。將來預期可應用於窗邊或帷幕牆等採光良好處。

另一方面，太陽能電池可作為電動車（EV）輔助電源，以防突發斷電。部分混合動力車已可選配矽晶太陽能電池車頂，若採用「可彎曲太陽能電池」，重量更輕，可提升「電耗」（相當於燃油車的「油耗」）效率。出自於京都大學的新創企業EneCoat Technologies正與豐田汽車合作研發車載新型太陽能電池。

能源安全保障

包含太陽能發電等再生能源的普及，關乎能源安全之保障。

日本能源以火力發電為主，依賴進口石油、煤炭與天然氣等化石燃料。2021年度自給率僅13.3%，在經濟合作暨發展組織（OECD）的38個成員國中排名第37名，幾乎墊底。由於俄羅斯侵略烏克蘭的戰爭，導致原油價格飆漲，日本經濟深受其害。對於避免地緣政治風險，必然得提高自給率。

此外，傳統太陽能電池的發電材料──矽原料大多來自中國。相較之下，「可彎曲太陽能電池」主要原料為碘，日本產量高居世界第二。有別於美中對峙而導致半導體供應鏈中斷，採用國產原料可有效杜絕供應鏈斷裂之風險。

電力的「在地自產自消」

在極端酷暑等氣候變遷加劇的背景之下，電價居高不下成為家庭與企業的迫切問題。遠距輸送至消費地的電力，原本就因輸電網等龐大設施而費用昂貴。相較之下，太陽能等「在地自產自消」型的電力原本就經濟實惠。再加上從能源的源頭來看，太陽能與化石燃料不同，完全免費。

積水化學的森田表示：「進入量產後，產品價格將降低，最終可向一般家庭銷售。雖單價高於現有矽晶太陽能電池，但從安裝到廢棄的總成本來看更具調降優勢。」

根據東芝估計，若在東京23區所有建築屋頂及部分牆面安裝「可彎曲太陽能電池」（光電轉換效率15.1%），預計可達到兩座核電廠的發電量，約為東京23區家庭年度用電量的三分之二。

然而，實現此願景仍需進一步的技術創新、設計進化與大幅降價，前途並非一片康莊大道。

標題圖片：柱體繞覆「可彎曲太陽能電池」，除了為蓄電池充電，更點亮「TOKYO」標誌。積水化學工業的實際驗證＝攝於東京都江東區東京國際郵輪碼頭（筆者攝影）

持田讓二（nippon.com） [作者簡介]

nippon.com主任編輯，主要負責書評和影評。曾在時事社靜岡分社、總社經濟部、倫敦分社當記者，並負責經濟部責任編輯。後供職彭博社， 2019年2月起擔現職。愛好漿板運動（SUP）。