要点
- 专家认为，传统硅电池的效率已接近极限；
- 澳大利亚一个独立智库认为，中国的大规模生产能力使其在全球新能源供应链上占据“第一主导”地位；
- 一种新型的“打印”出的钙钛矿电池被认为是澳大利亚的解决方案之一。
光伏发电是澳大利亚快速发展的产业。澳大利亚光伏研究所（Australian PV Institute）的显示，截至2023年9月，全澳有超过360万个太阳能光伏发电装置，总发电容量达到32.9吉瓦。
这意味着，澳大利亚的人均太阳能发电规模已经超过世界上任何一个国家和地区。
然而，专业人士认为，目前最为普及的硅电池已经面临接近技术极限，而中国在光伏产业制造生产的垄断地位使澳大利亚难以在这一关键领域占据优势。
一种被“印刷”出的新型太阳能电池被认为是解决方案之一。
硅电池已接近技术极限
硅电池是目前太阳能电池技术的主流，占据太阳能市场的大部分份额。
自1954年第一块硅电池板在美国问世以来，这种电池的光电转换效率在不断提高。
然而，昆士兰科技大学（Queensland University of Technology）化学与物理学院材料科学中心的王红霞教授表示，硅电池的效率已经接近技术极限。
王红霞教授说，传统硅电池的广电转换效率已经接近技术极限，很难有实质性的突破。 Credit: Anthony Weate
她说，作为一种成熟商业化的太阳能电池，硅电池在理想情况下的理论效率约为29%至30%。若考虑生产过程中的能量损耗，目前其效率可以达到27%左右。
2022年底，中国太阳能科技公司隆基绿能（LONGi）宣布，其自主研发的硅电池的转换效率达到26.81%，刷新了冻结五年的硅太阳能效率纪录。
我们在设计或研究某一类太阳能电池的时候，我们的目标是追求更高的光电转化效率、在室外使用时有更长的使用寿命，以及更容易的制备过程。王红霞教授
“硅电池的主要局限在于材料本身。它的带隙较窄、吸光性比较弱，如果要吸收更多的太阳能，就要把电池板做得比较厚，”王红霞教授说，“而硅本身比较脆，它不太适合用在柔性器件中，不适合可穿戴的、便携式的设备。”
她补充说，太阳能电池需使用高纯硅，虽然在过去十年内，技术进步和大规模应用使得单晶硅和多晶硅的生产成本显著下降，但制备硅电池板的生产过程仍耗能较大。
因此，为了获取更廉价高效的电能，突破硅电池的技术瓶颈，一种新型的太阳能电池——钙钛矿电池成为光伏技术变革的方向之一。
“印刷”出的钙钛矿电池
王红霞教授的团队正在对钙钛矿电池展开研究，旨在用具有成本效益的碳基复合材料替代高成本的贵金属导体材料，扩大生产工艺，以实现钙钛矿电池的大批量、低成本生产。
钙钛矿是具有相同晶体结构的一类陶瓷氧化物的统称，而钙钛矿电池就利用这类物质作为吸光材料。
澳大利亚联邦科学与工业研究组织的高梅博士展示了这种钙钛矿电池。 Credit: CSIRO
可以用印刷的方式把电池制造出来。就像打印机一样，在机器上加上一层溶液，然后刷过去，在衬底上加热，就得到我们需要的材料了。王红霞教授
“这种印刷方式在硅电池上是不可能的。硅需要99.999%的高纯度，在真空情况下制备，”她解释称，“而钙钛矿对纯度的容忍度很高，即使不纯也可有很高的效率。”
另一方面，这种“印刷”出的材料意味着它可以很薄、柔性大，在便携式设备方面潜力巨大。
王红霞博士说，和硅电池相比，钙钛矿电池的制备过程简单廉价。 Credit: QUT
“硅电池是无机材料，而柔性太阳能是有机材料，可以溶解在有机溶液中。就像一个墨水一样，可以通过打印机印出来，”她说，“它像一卷报纸一样可以卷起来，非常轻便，用的时候可把它展开，就可以给手机、笔记本电脑充电了。”
高梅博士说，钙钛矿电池在室内光源内也有着良好表现。 Credit: CSIRO
它还能叠加在帐篷上，比如灾难发生时，可以把电力输送给灾民。也可以和衣服结合，就可以边走路边给手机充电。高梅博士
澳大利亚新能源企业Halocell是尝试把这项技术产业化的企业之一。
其首席执行官保罗·穆尼（Paul Moonie）对SBS中文表示，其公司将使用“卷对卷技术”来实现钙钛矿电池的生产。
“这与印刷纸币、标签等类似，自动化程度很高，因此不需要高昂的劳动力成本，且生产速度非常快，”他说，“可以在短时间内生产上百卷。”
保罗·穆尼说，其“卷对卷”技术能廉价、快速地生产钙钛矿电池。 Credit: JACKIE COOPER
从29%至32%：电池效率的跃升？
从理论效率来看，从硅的29%至钙钛矿的32%，看上去似乎并非显著的提升。
然而，王红霞教授解释称，考虑到全球光伏应用规模，哪怕是单个电池效率提高0.1%，在总发电量方面都是“不得了的数字”。
“单节太阳能电池最高的光电转换效率在32%至33%左右，这取决于材料，”她补充说，“简单来说，例如窄带隙的黑色材料可以在很宽的光谱范围内吸收光，但光电压可能比较小”
另一方面，研究人员和从业者还在尝试不断调整材料的组成，将电池做“叠层”，以实现更高的效率。
王红霞表示，钙钛矿可以与其他材料“排列组合”，叠层使用。 Credit: Halocell
2023年6月，中国企业隆基绿能宣布，其商业级绒面CZ硅片上实现了晶硅-钙钛矿叠层电池的效率达到33.5%，这也是目前这种叠层电池的最高效率纪录。
本土研发、生产能否让澳大利亚在光伏领域“突围”？
国际能源署（International Energy Agency）的显示，中国在全球光伏组件的市场份额超过80%，而在供应链的某些部分甚至更高。该机构估计，2025年，世界将几乎完全依赖中国来供应太阳能电池板生产的关键构件。
在接受SBS中文采访时，独立智库Climate Energy Finance的能源分析师董旭阳解释称，中国的大规模生产能力使其在全球新能源供应链上占据“第一主导”地位。
董旭阳认为，中国的新能源发展模式值得澳大利亚借鉴。 Credit: SBS中文
而通过对钙钛矿电池的研究，王红霞教授团队希望使澳大利亚利用本国原材料、促进本土生产光伏技术的商业化，提高能源安全。
董旭阳认为，中国光伏产业的快速发展离不开强有力且明确的政策推动。澳大利亚虽然无法通过相似的“硬规划”部署新能源行业，但同样可以推行政策以引导产业发展。
中国中央政府会设定一些能源目标，比如十四五规划里面为设定可再生能源发展目标，迫使能源国企跟着这些政策转型。董旭阳
保罗·穆尼表示，建立澳大利亚本土设计和生产的能力尤为重要。
“材料开发——尤其是设计和生产更便宜、性能更好的材料，对我们在全球竞争中保持领先至关重要。”
董旭阳同意这种看法。
“在摆脱单一依赖中国供应时，澳洲走了比较谨慎的道路，”她说，“澳洲想要实现能源转型，完全可以建立我们自己的加工能力，提升出口产品的价值，并在全球系能源产业供应链里占据更有力的地位，与中国达成合作关系，而不是一方依赖另一方。”
Credit: SBS中文
下一步呢？
能源分析机构Rethink Energy的《2023-2040全球钙钛矿预测》报告显示，到2040年，钙钛矿电池将占该行业产量的85%，每年发电量将接近1太瓦。
高梅博士预计，在钙钛矿的应用方面，可以预见到五年内有部分特殊产品面世，十年内实现大规模应用。
她说，从效率上讲，钙钛矿电池已经达到了商业化要求的水平。尽管近年来已取得进步，但其稳定性仍有待进一步提高。
“因为硅电池毕竟是无机的，而钙钛矿电池是有机无机的混合。因此很多大学和研究机构都致力于提高它的稳定性，尽快把它推向市场。”
而穆尼有着更乐观的时间表，他表示，其公司的第一个钙钛矿产品系列——用于室内并为电子设备供电的钙钛矿电池——即将投入生产。
“第二个系列是生产用于卫星和无人机的电池，专业性的无人机，如用于冲浪救生、警察营救、国防。目前它们非常昂贵，尤其是卫星，而新技术的目标是将电池成本缩小到百分之一，”他说，“第三阶段是太阳能发电厂和住宅光伏系统。”
保罗·穆尼认为，钙钛矿电池或将在五年内实现大规模应用。 Credit: JACKIE COOPER
“有些屋顶不够结实，无法承载硅电池面板——因为它是刚性的，表面是玻璃，所以相当重。而新技术使得面板重量不到玻璃的四分之一，符合不同的需求，可以应用于曲面，因此，建筑师们对它们爱不释手。”
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