鈣鈦礦要成為太陽(yáng)能行業(yè)的未來(lái)還有哪些挑戰(zhàn)？

PV-tech Scott Graybeal · 2024-03-15 13:49:45

鈣鈦礦材料作為一種新興的太陽(yáng)能技術(shù)，因其低成本和高效率潛力被認(rèn)為是未來(lái)太陽(yáng)能市場(chǎng)的關(guān)鍵變革者。然而，鈣鈦礦技術(shù)的商業(yè)化面臨挑戰(zhàn)，需要政府與業(yè)界合作，并通過(guò)研究和開發(fā)來(lái)提升其在太陽(yáng)能技術(shù)中的競(jìng)爭(zhēng)力。過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)表明，全球太陽(yáng)能市場(chǎng)曾偏向于晶硅技術(shù)，而其他技術(shù)如薄膜硅和銅銦鎵硒等面臨了技術(shù)和成本上的挑戰(zhàn)。

雖然今年的情況尚待分析，但美國(guó)的早期數(shù)據(jù)顯示，戶用太陽(yáng)能需求強(qiáng)勁。一季度的裝機(jī)容量達(dá)到1641MWdc，同比增長(zhǎng)30%，創(chuàng)下一季度記錄。

美國(guó)聯(lián)邦能源管理委員會(huì)報(bào)告稱，2023年前八個(gè)月，美國(guó)的新光伏裝機(jī)容量比其他任何能源都要多。

電力公司也在轉(zhuǎn)向太陽(yáng)能技術(shù)以生產(chǎn)可負(fù)擔(dān)的可再生能源。根據(jù)美國(guó)能源信息署的數(shù)據(jù)，開發(fā)商計(jì)劃于2023年在美國(guó)開發(fā)29.1GW太陽(yáng)能電力，這將使目前大型地面光伏裝機(jī)容量的單年記錄翻一番。

面對(duì)所有這些增長(zhǎng)，政策制定者很可能會(huì)認(rèn)為，市場(chǎng)將不斷發(fā)展以迎來(lái)可再生能源解決方案。然而，現(xiàn)實(shí)情況是，政府需要與業(yè)界密切合作，確保在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間大規(guī)模部署適當(dāng)?shù)募夹g(shù)。

要加快向清潔能源電網(wǎng)的過(guò)渡，就必須深思熟慮，優(yōu)先考慮易于在國(guó)內(nèi)制造的解決方案，以及需要更多研發(fā)投入的長(zhǎng)期技術(shù)。

太陽(yáng)能就是這樣一種創(chuàng)新技術(shù)。具體來(lái)說(shuō)，如果能有效克服設(shè)計(jì)和開發(fā)方面的挑戰(zhàn)與障礙，有效駕馭所有需要廉價(jià)、綠色電子的可再生能源解決方案，那么鈣鈦礦(一類合成的金屬鹵化物納米材料)將在未來(lái)幾年顯著提升太陽(yáng)能的利用能力。

鈣鈦礦可鞏固現(xiàn)有太陽(yáng)能解決方案

自20世紀(jì)50年代美國(guó)發(fā)明硅基光伏電池、1979年卡特總統(tǒng)在白宮屋頂安裝太陽(yáng)能組件以來(lái)，硅基光伏電池一直主導(dǎo)著當(dāng)前的太陽(yáng)能市場(chǎng)。

這一幾十年前的突破使太陽(yáng)能解決方案得到廣泛推廣，特別是隨著技術(shù)的發(fā)展，這一解決方案變得更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。如今，屋頂太陽(yáng)能系統(tǒng)的均價(jià)已從十年前的5萬(wàn)美元降至2.5萬(wàn)美元。

鈣鈦礦為太陽(yáng)能行業(yè)帶來(lái)巨大價(jià)值有數(shù)項(xiàng)原因，其中包括：材料成本低廉。不需要昂貴或稀有的材料。資本設(shè)備支出低，生產(chǎn)所需的能耗也低。

它們預(yù)示著超低成本、超高效率的地區(qū)性太陽(yáng)能生產(chǎn)的未來(lái)，其效益將超越能源生產(chǎn)和環(huán)境因素，擴(kuò)大到就業(yè)機(jī)會(huì)創(chuàng)造和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)。

目前，全球太陽(yáng)能行業(yè)受到供應(yīng)鏈延伸的制約。多晶硅生產(chǎn)主要集中在亞洲，這從根本上限制了降低成本的可能性。先進(jìn)的異質(zhì)結(jié)技術(shù)所需的資本設(shè)備成本是同等產(chǎn)能的鈣鈦礦生產(chǎn)線的三倍。

此外，多晶硅生產(chǎn)對(duì)溫度的要求很高，可達(dá)到1000華氏度以上，這對(duì)大規(guī)模生產(chǎn)所需的能源產(chǎn)生了重大影響。這種高熱要求解釋了為什么中國(guó)的多晶硅廠通常位于大型煤礦附近。與此相反，鈣鈦礦可在低于華氏150度的溫度下進(jìn)行加工，在擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模的能耗方面具有直接優(yōu)勢(shì)。

這為創(chuàng)新打造了市場(chǎng)機(jī)遇，而鈣鈦礦正是滿足這一需求的產(chǎn)品，它能生產(chǎn)出成本低但效率高的太陽(yáng)能設(shè)備，使傳統(tǒng)硅組件的功能更強(qiáng)大、影響更深遠(yuǎn)。

它們的生產(chǎn)成本更低，加工能耗更低，制造過(guò)程更加自動(dòng)化、高效化。它們的多功能性意味著它們可以集成到電動(dòng)汽車、建筑太陽(yáng)能解決方案、物聯(lián)網(wǎng)小工具、航天器等更多領(lǐng)域。它們?cè)诖龠M(jìn)農(nóng)村用電方面也大有可為。

想象一下，在未來(lái)，緊湊的移動(dòng)工廠(也許比標(biāo)準(zhǔn)集裝箱大不了多少)可以被送往全球偏遠(yuǎn)地區(qū)。這些設(shè)備可以利用地區(qū)資源，制造價(jià)格低、效率高的太陽(yáng)能組件。這一愿景描繪了從耐用但復(fù)雜的太陽(yáng)能裝置向成本效益高、可本土制造、可直接安裝項(xiàng)目的過(guò)渡，擺脫了復(fù)雜的供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。

更重要的是，鈣鈦礦能改善硅太陽(yáng)能組件的性能，以比傳統(tǒng)組件低10%的成本從太陽(yáng)光中多產(chǎn)生30%的電能。

許多業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，在未來(lái)十年內(nèi)，鈣鈦礦將取代硅成為太陽(yáng)能電池的主要材料。在美國(guó)生產(chǎn)的鈣鈦礦還有助于避免與某些硅-太陽(yáng)能生產(chǎn)和供應(yīng)鏈不確定性相關(guān)的勞工問(wèn)題。

不過(guò)，在將鈣鈦礦大面積商業(yè)化之前，仍有一些挑戰(zhàn)需要解決，這就需要不斷進(jìn)行研究，以確保它們與當(dāng)前的太陽(yáng)能技術(shù)相比仍具有競(jìng)爭(zhēng)力。

光伏2.0的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)

2005年-2015年，也就是一些人所說(shuō)的清潔技術(shù)1.0和光伏2.0期間，光伏技術(shù)的發(fā)展獲得了明顯的重視。雖然隨之而來(lái)的是投資激增，但并非所有發(fā)展理論都站得住腳。

市場(chǎng)傾向于晶硅(主要來(lái)自中國(guó))，在一定程度上也傾向于碲化鎘(CdTe)太陽(yáng)能技術(shù)。由于種種原因，薄膜硅和銅銦鎵硒等幾種太陽(yáng)能技術(shù)都面臨挫折：

技術(shù)限制：與晶硅相比，銅銦鎵硒和薄膜硅在效率提升方面都遇到了瓶頸。這就讓人們把注意力轉(zhuǎn)移到了成本效益上，而成本效益對(duì)所需的先進(jìn)基礎(chǔ)設(shè)施和高端設(shè)備來(lái)說(shuō)又是一個(gè)挑戰(zhàn)。

設(shè)備成本：用于薄膜硅生產(chǎn)的先進(jìn)設(shè)備的價(jià)格約為每瓦特1.00美元，最具競(jìng)爭(zhēng)力的企業(yè)有可能降至每瓦特0.85美元，這還不包括設(shè)備成本。100MW規(guī)模的高級(jí)銅銦鎵硒生產(chǎn)設(shè)備的價(jià)格徘徊在每瓦特0.70美元左右。

另一方面，中國(guó)的晶硅行業(yè)不斷削減成本，最低降至每瓦0.15美元，涵蓋了整個(gè)生產(chǎn)流程(有些可能還包括多晶硅生產(chǎn))。

許多行業(yè)參與方要么沒(méi)有認(rèn)識(shí)到中國(guó)的快速進(jìn)步，要么選擇忽視它。中國(guó)組件和硅料價(jià)格的大幅下跌令西方制造商措手不及，從而抑制了聚光光伏和薄膜技術(shù)的發(fā)展前景。

如何擴(kuò)大鈣鈦礦的應(yīng)用范圍

鈣鈦礦納米材料是光伏解決方案領(lǐng)域的新前沿。我們必須明白，在全球舞臺(tái)上，西方公司正面臨著強(qiáng)大的、技術(shù)精湛的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

我們不應(yīng)將其視為挑戰(zhàn)，而應(yīng)將其視為動(dòng)力。我們已見(jiàn)證了鈣鈦礦組件以更經(jīng)濟(jì)的價(jià)格高效發(fā)電。有了這樣的基礎(chǔ)，西方的鈣鈦礦先驅(qū)們可以通過(guò)以下方式加快鈣鈦礦的發(fā)展：

了解全球格局：認(rèn)識(shí)全球技術(shù)進(jìn)步的軌跡至關(guān)重要。無(wú)論是用于疊層還是單結(jié)產(chǎn)品，許多西方的鈣鈦礦計(jì)劃和政策制定者都滿足于制造一平方米以下的設(shè)備，這僅僅是商業(yè)可行項(xiàng)目所需面積的一半。

隨著國(guó)際對(duì)手不斷擴(kuò)大規(guī)模，西方實(shí)體必須從研究過(guò)渡到大規(guī)模生產(chǎn)。

鼓勵(lì)實(shí)際測(cè)試：通過(guò)由政府支持的獨(dú)立設(shè)施，推動(dòng)對(duì)鈣鈦礦組件的戶外試驗(yàn)是關(guān)鍵所在。此外，在外部資助的太陽(yáng)能項(xiàng)目中啟動(dòng)試點(diǎn)試驗(yàn)也至關(guān)重要。

確保最終用戶能夠通過(guò)真實(shí)的第三方結(jié)果來(lái)驗(yàn)證可接受的鈣鈦礦組件壽命，同時(shí)實(shí)現(xiàn)降本和性能提升的承諾尤為重要。

重視技能培養(yǎng)：這一行業(yè)需要一支精通機(jī)電一體化、供應(yīng)鏈管理和工廠職能的團(tuán)隊(duì)。這些職位的薪酬極具吸引力，為以制造業(yè)為中心的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型鋪平了道路。

最后，聯(lián)邦和各州政策制定者對(duì)先進(jìn)制造業(yè)的支持將是行業(yè)成功的關(guān)鍵因素。

從歷史上看，當(dāng)美國(guó)團(tuán)結(jié)在具有凝聚力的、靈活的工業(yè)戰(zhàn)略背后時(shí)，它就會(huì)蓬勃發(fā)展，州際高速公路網(wǎng)和阿波羅任務(wù)等標(biāo)志性項(xiàng)目就是最好的證明。最近，《通貨膨脹削減法案》、直接需求、貸款擔(dān)保和國(guó)家推動(dòng)的激勵(lì)措施激發(fā)了行業(yè)的創(chuàng)新、發(fā)展和新理念的應(yīng)用。

這些趨勢(shì)以及聯(lián)邦和各州的稅收減免措施將大大推進(jìn)美國(guó)的脫碳能力。太陽(yáng)能電力對(duì)于減輕氣候變化的長(zhǎng)期影響、提高能源的獨(dú)立性、可及性以及增強(qiáng)電網(wǎng)彈性至關(guān)重要。

通過(guò)關(guān)鍵的公私合作伙伴關(guān)系，我們可以在實(shí)現(xiàn)脫碳未來(lái)的道路上取得重大進(jìn)展。

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