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钙钛矿太阳电池与燃料电池的应用与技术现况
次世代绿能生力军

【作者: 季平】2021年09月06日 星期一

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为对抗气候变迁带来的冲击,欧盟设定2050年实现气候中和、零温室气体排放目标,美国承诺2050年成为100%采用再生能源的经济体,日本承诺2050年达到碳中和,台湾政府则宣布2025年再生能源发电占比达20%。


承诺的背后,能源转型与再生能源开发如火如荼展开,如日本力推次世代太阳能板及碳循环(Carbon Recycling)技术,台湾积极推动「绿能科技联合研发计画」,如沙仑智慧绿能科学城下设「绿能科技示范场域」。


再生能源不只能解决全球暖化问题,还能大幅降低电力成本,除了发展快速的太阳能及风电,次世代绿能技术钙钛矿太阳电池及燃料电池也在鸭子划水,等待上岸。


次世代绿能生力军一:钙钛矿太阳电池

工研院绿能所组长林福铭指出,钙钛矿是存在于钙钛矿石中的钛酸钙(CaTiO3)化合物,因此得名,用于太阳光电领域的钙钛矿材料具有高吸光系数、可调控之能带结构与能隙、极佳的晶格缺陷容忍度、多元的材料形貌(由零维至三维结构)等特性,「由于原料取得容易、合成方法简单,加上价格低廉,钙钛矿材料有机会成为下个世代的超级材料!」目前已应用于Solar Cell、LED、Memory、Laser、Lithium battery anode、X-ray detector等多种光电领域。


图一 : 工研院开发的关键钙??矿原料(碘化铅)合成;50倍显微镜下的晶态。(source:工研院绿能所)
图一 : 工研院开发的关键钙??矿原料(碘化铅)合成;50倍显微镜下的晶态。(source:工研院绿能所)

钙钛矿太阳电池的优劣势

许多材料都曾被制成太阳电池,如矽晶、III-V族(如GaAs砷化镓)、CdTe(碲化镉)、矽薄膜、CIGS(铜铟镓硒)、CZTS(铜锌锡硫)、染料敏化(DSC)、有机太阳电池(OPV)等,其中,有机型如染料敏化(DSC)、有机太阳电池(OPV)多应用在弱光发电的利基市场;III-V族太阳电池效率高,但材料价格昂贵,多用于太空卫星及国防军事领域;CdTe效率佳,但镉是各国管制的高污染性重金属,所以发展有限;矽薄膜与CIGS曾被视为可能取代矽晶的潜力股。



图二 : 工研院开发的关键钙钛矿原料(碘化铅)合成;50倍显微镜下的晶态。 (source:工研院绿能所)
图二 : 工研院开发的关键钙钛矿原料(碘化铅)合成;50倍显微镜下的晶态。 (source:工研院绿能所)

由于矽原料价格持续下跌,矽晶太阳电池厂疯狂扩产使制造成本大幅下降,矽晶太阳电池模组快速跌价,导致矽薄膜与CIGS成本无法与之竞争而逐渐没落,被认为可解决CIGS成本过高问题的CZTS也因为材料特性不佳,效率无法突破,仅在学术研究上昙花一现,因此,目前市场主流仍以矽晶太阳电池为主。


钙钛矿太阳电池市场现况

钙钛矿太阳电池研究多在实验室小尺寸进行,若与成熟的矽晶太阳电池相比,钙钛矿太阳电池的优势在于原料容易取得、设备造价低廉、材料可调配性大,所以发展潜力较大,缺点则是材料、制程与模组开发仍属前瞻研究,但大面积电池制成还无法完全克服,所以钙钛矿太阳电池的寿命仍无法与矽晶太阳电池相比。


「不过,钙钛矿的效率从2009年的3% (日本横滨Toin大学)到2021年的25.5%(南韩国立蔚山科学技术研究院UNIST),短短12年就有显著的进展,在太阳电池史上非常少见,显示钙钛矿太阳电池具有非常大的发展潜力。」林福铭说。



图三 : 工研院3.5x3.5cm2钙??矿模组。(source:工研院绿能所)
图三 : 工研院3.5x3.5cm2钙??矿模组。(source:工研院绿能所)

看好钙钛矿太阳电池发展,欧洲Oxford PV预计开发250 MW堆叠电池生产线,中国协鑫、纤纳、极电光及万度等业者也积极投入,其中,协鑫规划完成100MW产线、极电光则规划2023年完成6GW产线。台湾目前以实验室研究为主,除了工研院,明志科技大学、台湾大学研究团队与太阳能业者研发「钙钛矿/矽晶叠层太阳能电池量产技术」已有突破,提高光电转换效率达26%以上。


钙钛矿太阳电池的发展挑战

钙钛矿太阳电池的光电转换率约20-25%,多是小面积(<1cm2)电池数据,相当于小指头指甲切成6份。虽然效率有所突破,但钙钛矿太阳电池还有许多问题有待克服,如稳定性、制程的再现性、放大面积的均匀性、封装方式、机台整合与设计等。高效率钙钛矿太阳电池用到的有机材料在制程上容易配合调整,但光、湿、热等稳定性还需要进一步测试,材料需要持续改进,此外,制程从放大、步骤搭配到机台设计等问题也需要一一克服。


林福铭认为,未来钙钛矿太阳电池技术的发展重点包含大面积化提升效率、效率持续提升、改善寿命问题,之后方能量产。钙钛矿太阳电池放大技术可细分为透明导电层、电子传输层、钙钛矿吸收层、电洞传输层、阻挡层与对电极层等,每一层都有需要面对的挑战。


「小面积拔大会遇到均匀性或是电流收集的问题,但放大面积必须考虑电阻过高的问题。」克服技术包含金属电极、电池串联技术等,若是小面积使用的旋转涂布无法满足制程需求,就必须开发新的涂布技术,如Doctor-bladed coating、Inkjet printing、Slot-die coating等,「每个技术都各有优缺点,必须针对薄膜缺陷、厚度、结晶性与表面粗糙度等问题进行改善,钙钛矿上下两层的电洞与电子传输层必须与吸收层配合,否则效果会大打折扣。」


与发展成熟的矽晶太阳电池相比,钙钛矿太阳电池是后起之秀,各有特色,林福铭认为,钙钛矿太阳电池可以辅助矽晶太阳电池,助其突破原有的转换效率极限,共荣共存,「可以堆叠方式提高矽晶太阳电池效率达30%以上,让既有的电池厂在变动最小的状况下可以持续增加竞争力,发挥更好的效能。」


次世代绿能生力军二:燃料电池

燃料电池是一种将化学能转换为电能的装置,能量来源是外部供给的氢气与氧气,氢气与氧气分别在燃料电池的阳极与阴极触媒反应,只要持续供应就可以不断提供电力。


燃料电池的优劣势

图四 : 工研院绿能所组长张文升。 (source:工研院绿能所)
图四 : 工研院绿能所组长张文升。 (source:工研院绿能所)

工研院绿能所组长张文升指出,燃料电池依工作温度区分为二,一是低温型燃料电池(摄氏60~200度),如质子交换模燃料电池(PEMFC)、磷酸燃料电池(PAFC),二是高温型燃料电池(600~1000°C),如固态氧化物燃料电池(SOFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)。


燃料电池具有高效率、低碳排、稳定运转、无转动零件、安静、料源多元、规模弹性极大、适于分散独立应用、可当基载电力以及运送用途,缺点则包含系统成本高(使用贵金属触媒)、长期耐用性待改善、氢气基础设施少、氢气品质要求高等。



图五 : 四种燃料电池特性。(Source:工研院绿能所)
图五 : 四种燃料电池特性。(Source:工研院绿能所)

图六 : 四种燃料电池优、缺点。(Source:工研院绿能所)
图六 : 四种燃料电池优、缺点。(Source:工研院绿能所)

新兴燃料电池目前主要朝提高发电性能、降低材料成本(使用非贵金属触媒)、多元料源及增加使用寿命等方向迈进,具有潜力的发展技术包含碱性阴离子交换膜燃料电池(Alkaline Anion Exchange Membrane Fuel Cell, AEMFC)、直接氨燃料电池(Direct Ammonia Fuel Cell)、微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell)、直接二甲醚燃料电池(Direct Dimethyl Ether Fuel Cell, DDMEFCs)、直接甲酸燃料电池(Direct Formic Acid Fuel Cell, DFAFC)等,技术成熟度(TRL)约为4以下,仍处于实验室研发阶段。


燃料电池市场现状

全球燃料电池产业处于发展初期,市场规模不大,2019年燃料电池全球总装置容量(MW)自1,196.3MW大幅增长至1,318.7 MW;E4Tech 2020年报告指出,2020年全球燃料电池出货量逾82,400套,较2019年高出72,500套;定置型燃料电池出货量从2019年约52,200套增加至2020年约57,800套,装置容量也成长至324.8 MW,主要成长市场为亚洲市场,如韩国大型机组发电系统及日本小型住宅用燃料电池系统。


此外,可携式燃料电池的出货量也微幅增加,自2019年约3,900套增加至2020年约4,100套,可携式燃料电池的装置容量约达0.4 MW。受惠于运输型燃料电池需求增加,运输型燃料电池出货量约为20,500套,电池装置容量达993.5 MW。


张文升认为,燃料电池可以作为分散式电力,降低电网负担,南韩的做法是透过可再生投资组合标准(Renewable Portfolio Standard, RPS)及再生能源凭证制度(Renewable Energy Certificate, REC),鼓励大型燃料电池电厂建置,目标设定于2040年产业用燃料电池发电量达15 GW,这些做法有助促进韩国氢能与燃料电池产业发展。


台湾则因应不同场域条件及氢料源,将燃料电池做为分散式或备援电力来源,如SOFC燃料电池应用于厂区,利用工业副产氢或天然气发电,作为厂区分散式电力来源,供应厂内电力需求,同时降低市电负荷。张文升指出,燃料电池列为再生能源发电设备需搭配适当的氢能料源,若能作为储能选项,有助提高分散式电力比例,减缓电网负担,有助能源调节。


依国际发展趋势来看,台湾定置型燃料电池发展方向,短期可以备用电力、利基产品及商业用定置型发电系统为发展目标;中期导入低成本燃料电池CHP系统应用,以医院、大卖场、饭店、工业区等热需求处为推展目标;长期则是逐步导入中大型定置型发电系统,作为工业区或用电大户的分散式电力来源。


燃料电池的发展挑战

燃料电池商转需搭配燃料电池载具与加氢站开发,是否增加商转难度?对此,张文升表示,从数据面不难看出燃料电池普及率及未来发展性逐步升温。国外燃料电池载具与加氢站已商转多年,车辆中心资料显示,全球氢燃料电池乘用车数量自2015年498量增加至2020年25,745辆,其中有15,821辆(约61%)集中在2019-2020年售出,受惠于COVID-19疫情,反而逆势创下8,241辆年度销售新高纪录。


此外,H2stations网站数据显示,全球加氢站数量在2014年后呈持续增长趋势,2020年底全球营运加氢站数为553座,全年新投入107座,再次刷新纪录。


虽然数据带来好消息,燃料电池未来仍有需要克服的挑战。以台湾来说,商转有难度,「未来要先解决氢气供应问题,包含取得低成本氢气及提高加氢站密度。」张文升说,若采天然气重组(不含碳捕捉)方式产氢再加储存与运输,商业售价约20元/Nm3,比锂电池车充电成本高。



图七 : 新兴燃料电池技术优势。(Source:工研院绿能所)
图七 : 新兴燃料电池技术优势。(Source:工研院绿能所)

台湾有不少业者投入燃料电池生产,提供原材料、燃料电池零组件、周边到后端系统等相关产品,目前部分关键组件业者成为国际大厂Bloom energy SOFC燃料电池供应链;各地系统业者亦可提供定置型紧急备援产品,也着手建置多处燃料电池备援电力运转案场,外销产品至东南亚、南非等地。


2050年净零碳排迫在眉睫,欧盟执委会今年7月公布12项规定,其一就是车辆在2035年前达零碳排,欧盟也已经将燃料电池载具列为重要选项。为加速燃料电池车普及,欧盟已针对加氢站建设订出方向,高速公路等干道至多每隔150公里需设置一座加氢站,后续将立法明文规范,台湾不妨引为参考,在既有基础技术下加速制定氢气运输、储存、加氢站与燃料电池载具安全规范等配套法规。


张文升认为,台湾的燃料电池供应链相当完整,已有数十家业者投入膜电极组、金属双极板、电堆、周边关键组件、发电系统整合与加氢设备,而且持续有新厂商投入,「燃料电池作为载具的优势是续航力高,加上未来自制率高,未来国产电池导入载具市场应是指日可待的。」


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