「影印」太陽能電池：新技術可否助澳洲光伏發展突出重圍？

在太陽能光伏發電領域，中國被認為處於全球領先地位，而澳洲的研究人員正在探索如何使用一種「影印」出來的薄膜太陽能電池取代傳統的矽太陽能電池板，並探索在澳洲本土生產的可能性。

要點

專家認為，傳統矽電池的效率已接近極限。
澳洲一個獨立智庫認為，中國的大規模生產能力使其在全球新能源供應鏈上佔據「第一主導」地位。
一種新型的「影印」鈣鈦礦電池被認為是澳洲的解決方案之一。

光電發電是澳洲快速發展的產業。澳洲光伏研究所（Australian PV Institute）的數據顯示，截至2023年9月，全澳有超過360萬個太陽能光電發電裝置，總發電量達32.9吉瓦（1吉瓦等於10億瓦）。

這意味著，澳洲的人均太陽能發電規模已經超過世界上任何一個國家和地區。

然而，專家認為，目前最為普及的矽電池已經面臨接近技術極限，而中國在光伏產業製造生產的壟斷地位使澳洲難以在這一關鍵領域佔據優勢。

一種「影印」產生的新型太陽能電池被認為是解決方案之一。

矽電池已接近技術極限

矽電池是目前太陽能電池技術的主流，佔據太陽能市場的大部份份額。自1954年第一塊矽板在美國問世以來，這種電池的光電轉換效率不斷提高。

然而，昆士蘭科技大學（Queensland University of Technology）化學與物理學院材料科學中心的王紅霞教授表示，矽電池的效率已經接近技術極限。

王紅霞教授說，傳統矽電池的廣電轉換效率已經接近技術極限，很難有實質的突破。 Credit: Anthony Weate

她向SBS中文表示，簡言之，太陽能電池效率指電池吸收太陽光轉換為電能的比例，而矽電池將永遠無法百份百地將太陽能轉換為電能。

她說，作為成熟商業化的太陽能電池，矽電池在理想情況下的理論效率約為29%至30%。若考慮生產過程中的能量損耗，目前其效率可達27%左右。

2022年底，中國太陽能科技公司隆基綠能（LONGi）宣佈，其自主研發的矽電池的轉換效率達到26.81%，刷新了凍結五年的矽太陽能效率紀錄。

我們在設計或研究某一類太陽能電池的時候，我們的目標是追求更高的光電轉換效率、在戶外使用時有更長的使用壽命，以及更容易的製備過程。

「矽電池的主要限制在於材料本身。其帶隙較窄、吸光性比較弱，如果要吸收更多的太陽能，就要把電池板做得比較厚，而矽本身比較脆，不太適合用在柔性器件中，不適合可穿戴的、便攜式的設備。」

她補充說，太陽能電池需使用高純度矽，雖然在過去十年內，技術進步和大規模應用使得單晶矽和多晶矽的生產成本顯著下降，但製備矽電池板的生產過程仍耗能較大。

因此，為了獲得更廉價高效的電能，突破矽電池的技術瓶頸，一種新型的太陽能電池——鈣鈦礦電池成為光伏技術變革的方向之一。

「影印」鈣鈦礦電池

王紅霞的團隊正在對鈣鈦礦電池展開研究，旨在以具有成本效益的碳基複合材料取代高成本的貴金屬導體材料，擴大生產工藝，以實現鈣鈦礦電池的大批量、低成本生產。

鈣鈦礦是具有相同晶體結構的一類陶瓷氧化物的統稱，而鈣鈦礦電池就利用這類物質作為吸光材料。

澳洲聯邦科學及工業研究組織的高梅博士展示鈣鈦礦電池。 Credit: CSIRO

王紅霞表示，鈣鈦礦的理論效率在32%左右，製備過程簡單廉價，無需昂貴的生產設備。另一方面，由於它是人工設計的晶體材料，其配比靈活、帶隙可調，故可透過不斷改進以提升其效率。

可以用印刷的方式把電池製造出來。就像影印機一樣，在機器上加上一層溶液，然後刷過去，在基板上加熱，就得到我們需要的材料了。

「這種印刷方式在矽電池上是不可能的。矽需要99.999%的高純度，在真空情況下製備，而鈣鈦礦對純度的容忍度很高，即使不純也可有很高的效率。」

另一方面，這種「影印」出來的材料意味著它可以很薄、柔性大，在便攜式設備方面潛力巨大。

王紅霞說，和矽電池相比，鈣鈦礦電池的製備過程簡單又便宜。 Credit: QUT

澳洲聯邦科學及工業研究組織（CSIRO）柔性印刷太陽能電池組負責人高梅博士說，它與傳統矽電池完全不同。

「矽電池是無機材料，而柔性太陽能是有機材料，可以溶解在有機溶液中。就像墨水一樣，可以透過影印機印出來。它像一卷報紙一樣可以捲起來，非常輕便，用的時候可把它展開，就可以給手機、手提電腦充電了。」

高梅博士說，鈣鈦礦電池在室內光源內也有良好表現。 Credit: CSIRO

高梅博士表示，有別於傳統的矽電池，鈣鈦礦電池在低光條件下表現良好，可以在室內光源下工作。

它還能疊加在帳篷上，例如災難發生時，可以把電力輸送給災民。也可以和衣服結合，就可以邊走邊幫手機充電。

澳洲新能源企業Halocell是試圖將這項技術產業化的企業之一。行政總裁穆尼（Paul Moonie）向SBS中文表示，其公司將使用「卷對卷技術」來實現鈣鈦礦電池的生產。

「這與印刷紙幣、標籤等類似，自動化程度很高，因此不需要高昂的勞動力成本，且生產速度非常快，可以在短時間內生產上百卷。」

穆尼說，其「卷對卷」技術能廉價、快速地生產鈣鈦礦電池。 Credit: JACKIE COOPER

從29%至32%：電池效率躍升？

從理論效率來看，從矽的29%至鈣鈦礦的32%，看起來似乎並非顯著的提升。

然而，王紅霞教授解釋稱，考慮到全球光伏應用規模，即使是單一電池效率提高0.1%，在總發電量方面都是「不得了的數字」。

「單節太陽能電池最高的光電轉換效率在32%至33%左右，這取決於材料。簡單來説，例如窄帶隙的黑色材料可以在很寬的光譜範圍内吸收光，但光電壓可能會比較小。」

王紅霞表示，鈣鈦礦可以與其他材料「排列組合」，疊層使用。 Credit: Halocell

另一方面，研究人員和從業者也正在嘗試不斷調整材料的組成，將電池做「疊層」，以實現更高的效率。

「不只是鈣鈦礦之間做疊層，我們還可以把鈣鈦礦和其他類型的太陽能電池，例如矽電池做疊層。在同樣的面積下，產生更高的光電傳輸效率，理論上可以達到40%甚至更高。」

2023年6月，中國企業隆基宣佈，其商業級絨面CZ矽晶片上實現了晶矽-鈣鈦礦疊層電池的效率達到33.5%，這也是目前這種疊層電池的最高效率紀錄。

澳洲本土研發和生產

國際能源署（International Energy Agency）的數據顯示，中國在全球光電模組的市佔率超過80%，而在供應鏈的某些部份甚至更高。該機構估計，2025年，世界將幾乎完全依賴中國供應太陽能板生產的關鍵構件。

在接受SBS中文採訪時，獨立智庫Climate Energy Finance的能源分析師董旭陽解釋，中國的大規模生產能力使其在全球新能源供應鏈上佔據「第一主導」地位。

董旭陽認為，中國的新能源發展模式值得澳洲借鏡。 Credit: SBS中文

「中國大規模生產便宜的配件，然後出口便宜廉價的高品質太陽能電池。」

而透過對鈣鈦礦電池的研究，王紅霞教授團隊希望讓澳洲利用本國原料、促進本土生產光電技術的商業化，提高能源安全。

董旭陽認為，中國光電產業的快速發展離不開強而有力且明確的政策推動。澳洲雖然無法透過相似的「硬規劃」部署新能源產業，但同樣可以推行政策以引導產業發展。

中國中央政府會設定一些能源目標，例如十四五規劃裡面為設定再生能源發展目標，迫使能源國企跟著這些政策轉型。

穆尼表示，建立澳洲本土設計和生產的能力尤其重要。「材料開發——尤其是設計和生產更便宜、性能更好的材料，對我們在全球競爭中保持領先至關重要。」

董旭陽同意這種看法：「在擺脫單一依賴中國供應時，澳洲走了比較謹慎的道路。澳洲想要實現能源轉型，完全可以建立我們自己的加工能力，提升出口產品的價值，並在全球能源產業供應鏈裡佔據更有力的地位，與中國達成合作關係，而不是一方依賴另一方。」

未來發展

能源分析機構Rethink Energy的《2023-2040全球鈣鈦礦預測》報告顯示，2040年，鈣鈦礦電池將佔該產業產量的85%，每年發電量將接近1太瓦（1太瓦等於1萬億瓦）。

高梅博士預計，在鈣鈦礦的應用方面，可以預見五年內有部分特殊產品面世，十年內實現大規模應用。

她說，從效率上講，鈣鈦礦電池已經達到了商業化要求的水平。儘管近年來已取得進步，但其穩定性仍有待進一步提高。

「因為矽電池畢竟是無機的，而鈣鈦礦電池是有機無機的混合。因此很多大學和研究機構都致力於提高它的穩定性，盡快把它推向市場。」

穆尼認為，鈣鈦礦電池或將在五年內實現大規模應用。 Credit: JACKIE COOPER

而穆尼有著更樂觀的時間表，其公司的第一個鈣鈦礦產品系列——用於室內並為電子設備供電的鈣鈦礦電池——即將投入生產。

「第二個系列是生產用於衛星和無人機的電池，專業性的無人機，如用於衝浪救生、警察營救、國防。目前它們非常昂貴，尤其是衛星，而新技術的目標是將電池成本縮小到百分之一。

「第三階段是太陽能發電廠和住宅光伏系統。」

他預測，該技術可能在五年內應用於房屋屋頂。「有些屋頂不夠結實，無法承載矽電池面板——因為它是剛性的，表面是玻璃，所以相當重。

「而新技術使得面板重量不到玻璃的四分之一，符合不同的需求，可以應用於曲面，因此建築師們對它們愛不釋手。」