今天小編分享的科技經驗：新式太陽能電池：綠色能源未來将至？，歡迎閲讀。
致力于将鈣钛礦 - 硅 " 串聯 " 光伏商業化的企業表示，這種電池板效率更高，将帶來更廉價的電力。
中國的房頂太陽能電池板。在擁擠的城市，串聯電池可提升能量密度。來源：VCG/Getty
在德國哈弗爾河畔的勃蘭登堡郊區，在一家家汽車經銷商和零部件商店中，坐落着一棟兩層的工廠，裏面滿是太陽能發電的秘密。正是在這裏，英國 Oxford PV 公司正在用鈣钛礦（perovskites）生產商用太陽能電池：這種光伏材料廉價且充足，一些人将之推崇為綠色能源的未來。工廠周圍是雜亂的草坪和雜草叢生的停車場，對于潛力如此巨大的能源轉換技術，這個 " 搖籃 " 實屬簡陋，但 Oxford PV 的首席技術官 Chris Case 可喜歡這裏了：" 這就是我種種夢想的頂點。" 他説。
包括這家公司在内，有十餘家企業都投注于鈣钛礦已然準備好推動全球向新能源狂飙突進。市面上已有了幾種新開發的鈣钛礦基光伏產品，而 2023 年宣布的種種消息顯示，其它許多產品也已準備好投入市場。例如，Case 表示，預計 2024 年年中左右，終端用户就能采購到 Oxford PV 的太陽能電池板。2023 年 5 月，大型硅太陽能電池生產商——韓國的韓華 Qcells 公司（Hanwha Qcells）表示，計劃投資 1 億美元建造試點生產線，預計 2024 年年底前可投入使用。
95% 的太陽能電池板都以硅為主要材料。Oxford PV、 Qcells 等企業并未用其它東西取代硅晶電池，而是在硅晶電池表面疊加一層鈣钛礦電池，由此得到的電池即稱為串聯電池（tandem cells）。因為每種材料可以分别從不同波長的陽光吸收能量，所以串聯電池的發電量或能比單一的硅晶電池多至少 20%；部分科學家估計還不止于此。
推崇鈣钛礦電池的人認為，與硅晶電池相比，串聯電池增加的發電量不僅足以抵消其多出的成本，而且在擁擠的城區或工業區特别有優勢，在這些區網域，空間是首要問題。" 我們最大的初始需求來自公用設施，他們就是沒有足夠的土地可用。"Case 説。
随着各種鈣钛礦 - 硅串聯電池日益接近投入市場，媒體頭條也彌漫着興奮的氣息，預言一種 " 革命性的 "" 神奇材料 " 即将 " 改變世界 "。但現實是，要改變太陽能市場，鈣钛礦 - 硅串聯電池業界至少面臨着兩大挑戰。
首先，已發表的研究顯示，暴露于潮濕、高温環境甚至光照下時，鈣钛礦的性能衰退速度遠大于硅。Oxford PV 宣稱已完成解決該問題的私人研究。但 Fabian Fertig 表示，" 對于商用量產，我會説，穩定性仍然是一個關鍵問題。" 他是 Qcells 的晶圓和電池研發主任，負責領導 Qcells 的鈣钛礦 - 硅串聯電池開發工作。
其次，一些分析人士認為，鈣钛礦（至少在短期内）對太陽能的發展并不會有多大影響。過去 10 年間，硅晶電池模塊已經相當廉價而高效，不僅如此，中國企業也在以驚人的速度不斷擴大產能。2022 年，全球太陽能電產能已達約 1.2 太瓦，太陽能發電量占總發電量的 5%。能源戰略學家認為，到 2050 年，全球太陽能電產能需達到 75 太瓦，才能實現氣候目标。為此，2030 年代中期前，每年必須新增 3 太瓦以上的太陽能裝機產能， [ 1 ] 預計硅光伏行業能實現這一目标，也因此，硅光伏成為了少數幾種進展順利的綠色技術領網域之一（見 " 太陽能的擴張計劃 "）。
來源：參考文獻 1
" 我們目前的技術，絕對足以在全球範圍内產生盡量多的太陽能電力。" 瑞士咨詢公司 BloombergNEF 的太陽能分析師 Jenny Chase 説。
因此，鈣钛礦電池将面臨最大的考驗：在競争激烈的光伏市場，遭遇殘酷的經濟戰。
打破了的紀錄
人們一直對鈣钛礦電池抱有熱情的原因在于，通過微調晶體的成分，以及用其制作的太陽能電池的成分，鈣钛礦的性能有了大幅改進。（" 鈣钛礦 " 指一種天然礦物的晶體結構；太陽能電池使用的鈣钛礦是結構與之相仿的人工晶體，多種材料均可制造。）
2009 年，使用甲基碘化鉛（一種簡單的鈣钛礦）制造出的電池，只能把 3.8% 的太陽能轉化為電能。如今，僅用鈣钛礦材料制作的電池，光電轉換率的最高紀錄是 26.1%。這個數字與硅晶電池的最高轉換率差距遠小于 1%（見 " 鈣钛礦光電轉換率的增長 "）。不僅如此，鈣钛礦電池所需的吸光層非常薄，且所用材料非常廉價、充足。因此，推崇鈣钛礦電池的人認為，假設鈣钛礦電池的生產規模與硅晶電池相當，其能耗和材料留下的碳足迹會更少。
來源：US Natl Renewable Energy Lab.
不過，上述最大轉換率的比較，與實際商用中的效率是兩回事。實驗室造出的最佳的鈣钛礦電池，往往比一張郵票還小（目前領先的僅芝麻大），而且工作僅幾天或幾周後，性能就會明顯衰退。制造這種電池的方法一般是把原材料的溶液滴到旋轉的金屬板上，但這一稱為旋塗法（spin coating）的流程無法用于大規模量產。" 報告了極高效率的方法，大多數都含有某些一定會造成不穩定的因素。" 英國牛津大學的 Henry Snaith 説。Snaith 也是 Oxford PV 的合夥創始人和首席科學官。量產大型電池并将其集成入太陽能板的可行性仍存在問題，進一步制約了其在實際應用中的效率。
已成功投入市場的非串聯鈣钛礦電池，則有效率較低、壽命較短的問題。波蘭的 Saule Technologies 公司生產的柔性鈣钛礦電池用于為小型電子價籤供電，或用作收集能量的遮陽簾，該電池在陽光充分照射下的光電轉換率為 10%，且 " 能使用數年 "。中國的杭州纖納光電有限公司（Microquanta）已交付發電量達 5 兆瓦的鈣钛礦太陽能電池板，其客户包括當地的一家水產養殖場。這種電池的光電轉換率在 13% 左右，且性能衰退速度比硅晶電池快一倍。" 得承認在眼下這個時候，鈣钛礦還不像硅那麼穩定。" 纖納光電有限公司的共同創始人、首席技術官顏步一説。
單個商用硅晶電池一般比 A5 紙大一些，多個電池組裝成長 2 米的模塊，再由模塊組成更大的電池板和電池陣列；單個模塊的光電轉換率約為 22-24%。一般地，此種模塊能确保使用 25 年後的性能仍有最初的 80%，換言之，每年的效率折損不足 1%。
大多數太陽能電池，以及幾乎所有制造太陽能電池的硅晶圓，都是中國制造的。自 2009 年鈣钛礦電池首次推出以來，中國通過規模經濟和技術改進，已把太陽能電池板的價格下壓了約 90%（見 " 太陽能價格已相當低廉 "）。如今，比起生產太陽能電池，成本更高的其實是組裝硅晶電池板并将其接入電網 [ 2 ] 。據 Chase 介紹，一般，太陽能硅晶電池陣使用壽命内的發電成本只有 0.03-0.06 美元 / 千瓦時，因此，在大多數陽光充足的國家，太陽能已是最廉價的電力來源。
來源：Our World In Data
Chase 表示，比起硅晶電池的上述成功經歷，鈣钛礦產品很難颠覆太陽能市場：" 沒人想要一個用不滿 25 年的太陽能模塊。它不劃算。"
串聯技術
不過，推崇鈣钛礦的人指出，串聯電池有其它比硅晶電池優越的地方。硅晶電池的性能正在接近上限：理論預計，其光電轉換率超過 29% 後就再難顯著上升；實用場景下，硅晶電池模塊能達到的光電轉換率峰值在 24-27% 左右 [ 3 ] 。" 用硅能達到的實際性能正在觸及天花板。" 美國麻省理工學院光伏研究員 Tonio Buonassisi 説。但是，為硅晶電池添加鈣钛礦電池，則最大光電轉換率理論上能達到 45% 左右。" 這樣，我們從電池板獲取的電力就可能多出 25%-50%。我覺得這是個讓人激動的前景。" 美國科羅拉多大學博爾德分校的鈣钛礦研究員 Michael McGehee 説。
一般的串聯電池中，鈣钛礦電池堆疊在硅晶電池上方；每個電池都由數層組成，每一層都在光電轉換中發揮着作用（見 " 串聯太陽能電池剖面圖 "）。陽光首先照射到鈣钛礦層，從鈣钛礦材料中釋放電子，留下正電性的 " 空穴 "。然後，電子進入鄰近的電荷收集層，再繼續向前來到電極；" 空穴 " 則向相反方向移動。這一過程也在硅晶電池内部發生，硅晶電池更善于收集鈣钛礦電池遺漏的低能量光子。調整化學反應和納米級的鈣钛礦電池工程技術，帶來了性能的改進，因而迅速產生了性能更好的串聯電池。2023 年 11 月初，總部位于中國西安的太陽能巨頭隆基綠能公司（LONGi）宣布制造出了僅有 1 平方厘米的串聯電池，其經由獨立認證的最高光電轉換率為 33.9%。
來源：據參考文獻 2 繪制
尚未有哪家企業量產的商用規模的串聯電池效率能達到這樣的效率，但 2023 年 5 月，Oxford PV 宣布，他們将向生產線投放性能最高的鈣钛礦 - 硅串聯電池，其光電轉換率為 28.6%。雖然這種電池比一般的硅晶電池略小，但該公司的勃蘭登堡工廠正在制造更大的串聯電池，用于組裝成光電轉換率約 24% 的全尺寸模塊，且其光電轉換率還在繼續上升。
串聯技術
Oxford PV 的量產流程從處理硅晶圓開始，主要從中國進口。這些晶圓會經過類似多個冰箱結合的一系列車間。其内部用離子雲造出電池各層，這一制備過程稱為物理氣相沉積，它的速度不如液相法，但能產出質量極高的薄膜。制造鈣钛礦電池的流程也類似。
勃蘭登堡的這座工廠是 Oxford PV 在 2016 年從德國生產商博世公司（Bosch）處買下的，内有生產太陽能電池的全套設備。" 起初，我們的設備基本都是通過拍賣或收二手搞定的。" 説到這裏，Case 興高采烈。早在 1980 年代，他就開始想法節約開發太陽能電池的開支了。那時他還是 20 多歲的熱血青年，用折扣價買下了大量光伏電池板，為自己的 " 太陽能房屋 " 建造電池模塊。勃蘭登堡工廠可謂處處貫徹着這種自力更生的省錢方略：例如，Case 要求造了特制的框架，這樣一來，Oxford PV 的電池就能與博世留下來的設備匹配了。
串聯電池成品會交付給 Oxford PV 的客户：大多數是歐洲的太陽能電池板生產商，他們會把電池組裝成更大的模塊。目前，這些生產商仍在各自對模塊進行測試。可能要到 2024 年底，公司才能為終端用户安裝好電池，這些客户包括一家大型建築公司，以及一家已下了模塊訂單的能源公司。
Oxford PV 公司勃蘭登堡工廠生產的串聯鈣钛礦 - 硅太陽能電池。來源：Oxford PV
勃蘭登堡工廠若開足馬力，每年生產的電池功率總量能達到 50 兆瓦，即約 500 萬個電池。但是，比起中國廣泛分布的太陽能硅晶電池廠，這座工廠實在無足輕重——中國電池廠的年生產總量以吉瓦計。而且因為規模小，Oxford PV 量產串聯電池的成本比硅晶電池高一倍。
但 Case 表示，如果 Oxford PV 的產量也能達到吉瓦級，價格差距就會迅速減小，串聯電池的發電成本也會随之壓到比硅晶電池更低的水平。
穩定性的挑戰
從勃蘭登堡工廠以南驅車約 90 分鍾，會到達塔爾海姆。Oxford PV 的一位競争對手正在這裏測試自己的電池原型。在歐洲的補貼開始枯竭、亞洲企業統治太陽能市場前，塔爾海姆及其周邊地區曾是光伏量產的中心，被稱為 " 太陽能谷 "。在這裏，Qcells 有一處規模龐大的光伏研發廠。Qcells 的研發廠沒有叢生的雜草，而是配備了小型除草機器人，它們逡巡在一片片草坪上，把草修剪得整整齊齊，然後回到自己的太陽能車庫。
在這座研發廠的其中一座大樓内，Qcells 對產品進行 " 加速老化 " 測試，以考驗其硅模塊產品的耐用性。測試方法包括把模塊封裝在桑拿房般潮濕的環境中 4 個月左右、把模塊暴露在明亮的模拟陽光下，還用人造冰雹猛烈砸向模塊（雖然這些測試都是工業标準的，但 Qcells 引以為傲的是，他們的測試環境非常極端）。Qcells 也對串聯電池進行類似測試，利用測試結果預測這種電池實際投入使用後，發電量随使用年份增長而減少的情況。
穩定性測試的具體情況，既可能成就也可能阻斷鈣钛礦串聯電池的發展。鈣钛礦的一項項轉化率紀錄牢牢占據了頭條，但直到過去幾年，研究人員才開始在電池壽命方面取得顯著進展。" 真正的瓶頸還是穩定性。" 澳大利亞國立大學光伏研究員 Heping Shen 説。
雖然鈣钛礦有接觸空氣和水會分解的毛病，但這可以通過覆蓋上隔絕空氣和水的外層來預防，這種辦法在太陽能行業很常用。但與硅不同的是，它的内在分解機制不能這樣解決。例如，電池工作時，鈣钛礦的一些離子會四處運動，或逃逸到鄰近的電池層，可能導致一些缺陷，使得電子和空穴還沒來得及轉為電能就重新結合，產出兩者的能量也就浪費了。光和熱可能加劇此類退化。
為讓鈣钛礦的離子留在正确的地方，研究人員對它們的成分做了精細調試，為電池添加了厚度僅以納米計的保護層。證明這些方法行之有效，是歐盟 PEPPERONI 項目的關鍵任務之一。該產學合作項目投入金額約 1900 萬歐元，于 2022 年 11 月啓動，Qcells 也是參加者之一。項目為期 4 年，旨在開發光電轉換率達 26%、性能維持 30 年以上、适合大規模量產的串聯模塊。Fertig 表示，如果這些模塊能大量生產，就能讓通常的發電成本低至 0.025 歐元 / 千瓦時——這個價格比起硅太陽能電池就很有競争力了。
" 這些材料、原料和過程，所有這些的發展都将使得技術在不遠的未來積累出非常大的體量。" 德國柏林工業大學的鈣钛礦研究員 Steve Albrecht 説。Albrecht 也帶領德國亥姆霍茲柏林能源與材料研究中心的一個團隊參加了 PEPPERONI 項目。
加速老化測試雖然成果喜人，但最真實測試還是要直接把串聯模塊安裝在户外，逐年監測性能。迄今為止，已發表的户外研究成果僅有寥寥幾項，且多數出自學術團體，而非把串聯電池商業化的企業。" 現在的問題就是數據沒有多少。" 沙特阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學的光伏研究員 Stefaan De Wolf 説。他的團隊于 2023 年 2 月報告，在沙特炎熱、潮濕的環境下，一種串聯電池的性能迅速衰退 [ 4 ] 。
Qcells 的太陽能模塊在該公司位于德國塔爾海姆的測試中心接受加速老化測試。來源：Hanwha Qcells GmbH
Qcells 尚未公布過户外測試細節，雖然在塔爾海姆工廠已經進行了一些户外測試。至于 Oxford PV，據 Case 介紹，公司已經開展了加速老化測試和兩年的户外測試。他説，綜合來看，這些測試（結果尚未發表）顯示，最好的串聯電池在使用的頭一年内效率僅會降低約 1%，此後效率降低的速度還會更慢。目前，Case 告知客户，串聯電池的使用壽命和傳統的硅模塊差不多。
雖然有人擔憂鈣钛礦電池中含有有毒的鉛元素，但越來越多的研究認為，只要做好電池板的外保護層，問題就不大 [ 5 ] 。還有人指出，一塊标準硅晶電池板焊接點的含鉛量就比一整塊鈣钛礦電池板高 10 倍。盡管如此，大多數企業仍規劃了回收項目，以管理和回收使用壽命到期的電池板。
許多 " 假如 "
Chase 認同，如果鈣钛礦電池企業的希望成真，串聯電池更大的能量密度會在消費者中大受歡迎。" 如果這點能做到，且產品性能穩定，而且量產的設備和流程成本也都不高，将會非常振奮人心，因為你可能擁有成本更低、價值更高的模塊。不過，這裏頭有很多‘假如’。"
推崇鈣钛礦的人對把這些 " 假如 " 變成現實很有信心，他們補充説，家用太陽能用户極度渴望能用房頂電池板上多發一點電。他們的家居電氣化程度越來越高，如果串聯電池能為家中的熱泵、電動車等設備供電，他們有可能為之多掏些錢。" 當前，一般房頂的面積還是太小，不足以滿足家用需求，因此，如果每平方米電池能多產出些電量，那就是很大的優勢。" 美國 Caelux 公司創辦人、總裁 John Iannelli 説，這家公司也在開發串聯電池。
有研究人員和企業認為，鈣钛礦電池或許不需要向硅晶電池确保的 25 年使用壽命看齊。鈣钛礦電池的改進太迅速了，如果模塊性能在投入使用後的 15 年内衰退了，用更先進的模塊取而代之即可 [ 6 ] 。在年頭較久的硅晶太陽能發電場，模塊迭代已經越來越司空見慣，因為效率更高的技術產生的經濟效益已經超過了舊模塊拆換的成本。
政治考量也在驅使人們增加對鈣钛礦電池的投資。對歐洲而言，可再生能源增加，對俄羅斯天然氣供應的依賴程度也就會降低；由于 2022 年《通脹削減法案》（2022 Inflation Reduction Act）中支出和税收見面政策，美國也正力圖減少對中國光伏供應鏈的依賴。一些企業認為，為達到上述目的，最好的辦法就是徹底避免使用硅晶電池。數家企業正在開發全鈣钛礦串聯電池，這類電池含有兩種鈣钛礦材料，吸收不同波長的陽光。" 這就可以讓供應鏈大大簡化。" 美國 Swift Solar 公司合夥創始人 Tomas Leijtens 説。該公司正在研發此類不含硅的串聯電池。
Swift Solar 也加入了美國一項名為 " 使用超穩定鈣钛礦的高效先進模塊串聯系統 "（TEAMUP）的產學合作項目，該項目于 2023 年 4 月從美國能源部獲得了 900 萬美元的資助。項目由 McGehee 牽頭，主要目标是開發光電轉換率超過 28% 且每年下降不超過 1% 的鈣钛礦 - 硅串聯電池板。大多數致力于鈣钛礦電池的美國企業，要麼參與了這項研究計劃，要麼參與了 2023 年能源部資助的另一個項目——由麻省理工學院 Buonassisi 牽頭的 " 加速共同設計耐用、可復制和高效的鈣钛礦串聯（ADDEPT）" 。
很多中國企業同樣在開發鈣钛礦 - 硅串聯電池，如果這些電池開發成功，将做好投入市場的準備。例如，據 Shen 介紹，隆基綠能有超過 100 名員工正從事鈣钛礦的研發。
" 我認為，與中國賭太陽能制造非常不明智。"Chase 説。她補充説，歸根結底制約全球太陽能發電的瓶頸不再是太陽能電池板的效率，而是缺少太陽能适用的電網基礎設施，和儲存超量生產電力的電池成本太高。Chase 指出，未來 10 年左右，鈣钛礦電池是否成功并不重要——當然，對投身其中的公司除外。" 我祝他們好運，但有沒有鈣钛礦電池，太陽能的規模都會很龐大。"
不過，Snaith 并不認為硅晶電池技術的改進壓縮了含鈣钛礦電池的市場空間。他表示，硅光伏技術的所有改進都會同時讓串聯電池受惠，使之具備前所未有的更大吸引力：" 我們的電池真的就是造在硅晶電池基礎上的，如果硅晶電池能更好，我們也能更好。"
