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發(fā)布時(shí)間:2024-01-31 來(lái)源:元祿光電
最近,日本化學(xué)巨頭AISIN宣布,將在2025年實(shí)現(xiàn)薄膜鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的批量生產(chǎn)。
鈣鈦礦太陽(yáng)能電池,是一種有別于傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池的新技術(shù),具有投資少,輕薄易彎折等優(yōu)勢(shì)。
日本為何要投2萬(wàn)億豪賭鈣鈦礦太陽(yáng)能電池技術(shù)?
能趕超中國(guó)嗎?
170多年前,俄羅斯的礦物學(xué)家列夫?普羅夫斯基在烏拉爾山脈上發(fā)現(xiàn)了一種具有立方體和鉆石結(jié)構(gòu)的礦物。
這種礦物主要分布在地球的地幔層,偶爾會(huì)有地表礦床存在。
在中國(guó),這種礦物的名稱我們翻譯為鈣鈦礦。
鈣鈦礦礦石
就是這種不起眼的礦物,在170年后的今天,成為太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)的聚焦點(diǎn)。
鈣鈦礦被發(fā)現(xiàn)可以應(yīng)用于太陽(yáng)能電池材料,完全是一次意外。
2002年開始,日本曾大力開發(fā)一種有機(jī)色素太陽(yáng)能電池技術(shù),結(jié)果非常遺憾,失敗了。
在實(shí)驗(yàn)中,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)雖然失敗了,但是其中使用的鈣鈦礦化合物自身卻有非常強(qiáng)的光反應(yīng)性。
這一新發(fā)現(xiàn),讓日本的科學(xué)家熱血沸騰。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),太陽(yáng)能電池是利用半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng),將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能的裝置。
鈣鈦礦化合物較強(qiáng)的光反應(yīng)性,讓其有可能成為一種非常好的太陽(yáng)能電池半導(dǎo)體材料。
鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)
目前,太陽(yáng)能電池的主要半導(dǎo)體材料是硅晶體,迄今已經(jīng)使用了70多年。
近二十年來(lái),雖然太陽(yáng)能電池領(lǐng)域中也出現(xiàn)了許多新材料,但是由于成本問(wèn)題、對(duì)稀有材料依賴等因素,都無(wú)法取代傳統(tǒng)的硅基電池,這也使得硅基電池一直霸占著約95%的市場(chǎng)份額。
日本科學(xué)家相信,鈣鈦礦電池有可能挑戰(zhàn)硅基電池的霸主地位。
這主要來(lái)自于它得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。
一是能耗相對(duì)較低,污染相對(duì)較小。
鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的生產(chǎn),不像傳統(tǒng)的硅基太陽(yáng)能電池那樣在大尺寸的硅片生產(chǎn)中需要大量的能耗和大量的淡水。
二是制造成本低。
硅基電池由于太薄則容易斷裂的缺點(diǎn),所以必須要貼在有一定厚度的玻璃板上。
鈣鈦礦電池則使用ITO/FTO基板,所以在制造成本上非常便宜。
在制作工藝上,鈣鈦礦太陽(yáng)能電池由溶液法制造,可以用狹縫涂布、打印、刮刀涂布工藝生產(chǎn),在生產(chǎn)設(shè)備上的投資比傳統(tǒng)的硅基太陽(yáng)能電池要小得多。
三是更薄更柔軟。
鈣鈦礦電池很好地吸收了第二代太陽(yáng)能電池的優(yōu)點(diǎn),成品特別的輕薄柔軟,柔軟到可以任意彎曲折疊,在形狀上也不像硅基太陽(yáng)能那么死板,只能是單調(diào)的四方形。
這種輕薄柔軟的特性,使得鈣鈦礦電池可以貼在建筑的墻壁上,而不需要支撐物,也可以貼在汽車的外壁,可以在更多更廣的領(lǐng)域得到應(yīng)用。
可見,鈣鈦礦電池的優(yōu)勢(shì)還是很明顯的。
發(fā)現(xiàn)了鈣鈦礦電池的優(yōu)勢(shì)后,日本決定“搶占先機(jī)”,賭上一把。
日本政府斥資2萬(wàn)億日元,日本的企業(yè)也積極參與到鈣鈦礦太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)的開發(fā)中。
鈣鈦礦太陽(yáng)能電池要想商業(yè)化,首先要提高光電轉(zhuǎn)化率。
在日本學(xué)界、企業(yè)的共同努力下,鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化率從2%提高到了25%。
這種研發(fā)速度是驚人的,相當(dāng)于其他太陽(yáng)能材料40年要走的路,日本10年就走完了。
在制造工藝上,由于研發(fā)階段的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池基本上都是靠手工制作,所以在性能上非常不穩(wěn)定。
為了消除這種不穩(wěn)定性,桐蔭橫濱大學(xué)的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了自動(dòng)化鈣鈦礦膜的成膜技術(shù)。
日本媒體對(duì)桐蔭橫濱大學(xué)開發(fā)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池技術(shù)的報(bào)道
東芝和日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)合作,在現(xiàn)有的涂布技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的大面積化。
日本星電也在2021年介入鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的開發(fā),在低溫生產(chǎn)和有機(jī)材料的應(yīng)用上獨(dú)樹一幟,大大縮減了生產(chǎn)成本。
理光集團(tuán)和桐蔭橫濱大學(xué)的團(tuán)隊(duì)共同開發(fā)了自動(dòng)化鈣鈦礦膜的成膜技術(shù)。
三菱材料則在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池生產(chǎn)所需要的周邊材料上下功夫,在增加鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的使用壽命方面進(jìn)行研發(fā)。
鈣鈦礦太陽(yáng)能電池制作工藝
目前,日本鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化率已經(jīng)和傳統(tǒng)的硅基太陽(yáng)能電池非常的接近,生產(chǎn)的工藝也逐漸成熟,已經(jīng)達(dá)到了可以大批量生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)化水平。
日本為什么要豪賭鈣鈦礦太陽(yáng)能電池?
這還得從日本的能源問(wèn)題說(shuō)起。
眾所周知,對(duì)于國(guó)土狹小的日本來(lái)說(shuō),能源問(wèn)題一直是制約日本經(jīng)濟(jì)的較大瓶頸。
隨著東日本大地震時(shí)福島核泄漏事件的發(fā)生,日本對(duì)于核能的利用也變得特別嚴(yán)格,只能靠重啟傳統(tǒng)的火力發(fā)電來(lái)維持經(jīng)濟(jì)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
有數(shù)據(jù)顯示,化石能源發(fā)電占了日本發(fā)電總量的60%以上。
日本被迫重啟火力發(fā)電 圖為日本北海道苫東厚真火力發(fā)電廠
然而,日本煤炭、石油、天然氣的儲(chǔ)量都少得可憐,這也使得日本的能源自給率一直徘徊在12%左右。
所以日本一直在尋找可代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源的新能源,來(lái)提高自己的能源自給率。
鈣鈦礦太陽(yáng)能電池生產(chǎn)的原材料幾乎不需要進(jìn)口,如果技術(shù)成熟,日本有可能實(shí)現(xiàn)完全國(guó)產(chǎn)化。
這對(duì)于資源稀少的日本,無(wú)疑是賭上國(guó)運(yùn)也要去試一試的機(jī)會(huì)。
除了能源安全,日本的另一個(gè)野心,是奪回自己太陽(yáng)能電池老大的地位。
太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)較早興起于日本和德國(guó),日本的京瓷和松下,曾經(jīng)是太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)的龍頭。
中國(guó)太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)的崛起,將日本的太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)打得毫無(wú)還手之力。
根據(jù)GlobalData的數(shù)據(jù)可知,大約15年前,中國(guó)的市場(chǎng)份額還幾乎為零,但是這些年突飛猛進(jìn),已經(jīng)占據(jù)了全球近一半的市場(chǎng)份額。
根據(jù)GlobalData的數(shù)據(jù)制作
硅基電池已是中國(guó)企業(yè)的天下。
日本想通過(guò)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池,重新對(duì)行業(yè)洗牌,趕超中國(guó),奪回自己老大的地位。
日本要想贏,還得解決幾個(gè)問(wèn)題。
一是技術(shù)問(wèn)題。
鈣鈦礦太陽(yáng)能電池技術(shù)并非完美無(wú)缺,較大的問(wèn)題就是鈣鈦礦的不穩(wěn)定性。
鈣鈦礦比較容易受氧氣和水的影響,容易老化,從而影響電子的有效移動(dòng)。
此外,鈣鈦礦化合物的溶出物中含有有毒的鉛成分,大量的商業(yè)使用可能會(huì)對(duì)環(huán)境構(gòu)成破壞。
環(huán)保問(wèn)題,也是懸在其頭上的達(dá)摩克利斯之劍。
二是產(chǎn)業(yè)問(wèn)題。
研發(fā)出技術(shù)只是初步,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?;攀侵刂兄?。
日本國(guó)內(nèi)市場(chǎng)有限,又不具備太陽(yáng)能電池的全產(chǎn)業(yè)鏈,這決定了其發(fā)展鈣鈦礦太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè),必須依賴國(guó)際合作。
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