使用優(yōu)點(diǎn)多

作為新一代太陽(yáng)能電池，“鈣鈦礦太陽(yáng)能電池”正備受關(guān)注。它能安裝在窗戶和墻壁上，還能在室內(nèi)發(fā)電，由于使用方便，日本國(guó)內(nèi)外都在加快推進(jìn)研發(fā)以實(shí)現(xiàn)商用化。

太陽(yáng)能電池用來(lái)制作的材料盡管多種多樣，但目前得以普及的太陽(yáng)能電池中，95%以上是硅太陽(yáng)能電池。

不過(guò)，硅如果太薄就會(huì)破裂，因此需要一定厚度。硅太陽(yáng)能電池重量為平均每平方米10至15公斤，僅限于安裝在強(qiáng)度較高的建筑物頂或樓頂?shù)鹊亍Ｓ捎趶?fù)雜的制造工藝，成本高也是一個(gè)課題。

而鈣鈦礦太陽(yáng)能電池解決了上述問(wèn)題。鈣鈦礦是一種晶體結(jié)構(gòu)，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池是利用碘、鉛等結(jié)晶形成的薄膜來(lái)發(fā)電。即使厚度僅為0.1微米，它也能進(jìn)行發(fā)電。重量?jī)H為硅的十分之一左右。

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池有很好的可彎曲性，可以安裝在過(guò)去難以放置的地點(diǎn)。只要在薄玻璃或塑料基板上涂上材料，就可以非常簡(jiǎn)單并以很低成本制造出來(lái)。而且，即使是陰天或雨天，利用室內(nèi)光線都能進(jìn)行發(fā)電。

在受到光照的情況下，鈣鈦礦層會(huì)吸收光，電子會(huì)從原子中脫落，進(jìn)而出現(xiàn)電子的空殼部分“空穴”。電子帶負(fù)電，“空穴”則帶正電。

鈣鈦礦層夾在電子傳輸材料和“空穴”傳輸材料之間。電子和“空穴”在鈣鈦礦內(nèi)部分別向負(fù)極和正極方向擴(kuò)散，分成兩側(cè)電極，從而進(jìn)行發(fā)電。

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的研發(fā)者之一是日本桐蔭橫濱大學(xué)特聘教授宮坂力，他原來(lái)的研究領(lǐng)域是使用色素和氧化鈦等材料發(fā)電。情況在2006年突然發(fā)生變化。當(dāng)時(shí)還是研究生的小島陽(yáng)廣說(shuō)：“打算制造一種將色素?fù)Q成鈣鈦礦的發(fā)電裝置。”鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的研究由此開(kāi)始。

在2009年，用鈣鈦礦太陽(yáng)能電池將光能轉(zhuǎn)換為電的轉(zhuǎn)換效率為3.8%，經(jīng)過(guò)反復(fù)研究，轉(zhuǎn)化效率提高到了10.9%。2012年上述成果在《科學(xué)》雜志上發(fā)表后，這一技術(shù)在全球引發(fā)了研究熱潮。現(xiàn)在，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率可以與硅型太陽(yáng)能電池相匹敵，達(dá)到20.5%左右。

如果鈣鈦礦太陽(yáng)能電池得以普及，人們就可以輕松地自己進(jìn)行制作，還可以利用室內(nèi)光照為智能手機(jī)充電。

宮坂描繪了這樣的未來(lái)：“如果安裝地點(diǎn)允許鈣鈦礦太陽(yáng)能電池和硅太陽(yáng)能電池協(xié)調(diào)共存，就會(huì)出現(xiàn)街上到處都有太陽(yáng)能電池的社會(huì)，可能會(huì)形成電力自給自足的結(jié)構(gòu)。”

全面推廣難

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池也面臨挑戰(zhàn)。一是它不耐水分和損傷，二是含有對(duì)人體有害的鉛。

京都大學(xué)教授若宮淳志的研究團(tuán)隊(duì)使用毒性比鉛更低的錫進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)，將鉛含量減少的部分換成錫，在2022年穩(wěn)定獲得了23.6%的轉(zhuǎn)換效率。

在歐洲，鉛的使用受到限制。若宮說(shuō)：“為推動(dòng)產(chǎn)業(yè)化，要求實(shí)現(xiàn)無(wú)鉛化。我們也希望推進(jìn)不含鉛的高性能電池研究。”

日本國(guó)內(nèi)外正在積極推進(jìn)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的商用化。據(jù)咨詢公司富士經(jīng)濟(jì)預(yù)測(cè)，到2020年代中期將正式開(kāi)始批量生產(chǎn)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池；到2035年，其市場(chǎng)規(guī)模將擴(kuò)大到1萬(wàn)億日元(約合67億美元)。

為了支持開(kāi)發(fā)這項(xiàng)源自日本的技術(shù)，日本政府4月提出了在2030年之前普及鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的方針。但是，要實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)還要解決以下幾個(gè)課題。

首先需要大面積均勻涂抹技術(shù)，涂抹不均勻會(huì)使質(zhì)量下降。由于涂抹面積變大可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率下降，因此兼顧大面積和高轉(zhuǎn)換效率也很重要。在日本國(guó)內(nèi)，積水化學(xué)工業(yè)、東芝、鐘化等公司正在進(jìn)行研發(fā)。

鐘化還致力于開(kāi)發(fā)硅太陽(yáng)能電池和鈣鈦礦太陽(yáng)能電池相疊加的“串聯(lián)型”太陽(yáng)能電池。這兩種電池所吸收光的波長(zhǎng)不同。兩種電池的組合，可以比一種電池吸收更大范圍波長(zhǎng)的光，進(jìn)而提高轉(zhuǎn)換效率。

相關(guān)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)也已經(jīng)開(kāi)始。以2025年開(kāi)展這項(xiàng)事業(yè)為目標(biāo)，積水化學(xué)工業(yè)今年春天將鈣鈦礦太陽(yáng)能電池安裝在東京都污水處理設(shè)施的處理槽蓋上，截至2025年將對(duì)其轉(zhuǎn)換效率和耐用性進(jìn)行調(diào)查。JR西日本公司的大阪地下車(chē)站廣場(chǎng)也計(jì)劃于2025年春天進(jìn)行安裝并投入使用。

宮坂說(shuō)：“材料可以在國(guó)內(nèi)采購(gòu)。剩下的就看能完成多大產(chǎn)量。”

日本在硅太陽(yáng)能電池方面一直依賴從國(guó)外進(jìn)口，但在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的主要原料碘方面，產(chǎn)量位居世界第二。宮坂說(shuō)，現(xiàn)在全世界大約有3萬(wàn)多人在開(kāi)展研究，相關(guān)開(kāi)發(fā)正在加快。

他說(shuō)：“對(duì)于日本，也許沒(méi)有比這更具吸引力的能源了。”