发布日期：2025年3月13日 / 更新日期：2025年3月13日 – 作者：Konrad Wolfenstein
新型超级太阳能电池（钙钛矿）有望加速日本的能源转型——日本与积水化学的太阳能战略——图片来源：Xpert.Digital
未来能源技术：日本钙钛矿电池的突破
先进太阳能：日本的能源转型之路
日本在太阳能技术领域取得了显著进展，钙钛矿太阳能电池（PSCs）的研发有望从根本上改变日本的能源格局。这项创新技术不仅有望助力日本实现其雄心勃勃的气候目标，还能降低日本对化石燃料和核能的依赖。凭借其柔性、轻便和高效的特性，这些超级太阳能电池到2040年有望实现相当于20座核反应堆的发电量，从而为日本的能源转型做出至关重要的贡献。
革命性的钙钛矿技术
钙钛矿太阳能电池与传统太阳能电池有着本质区别，有望彻底改变太阳能的利用方式。与传统的硅基太阳能电池板不同，钙钛矿太阳能电池具有高度适应性、重量轻、制造工艺灵活等特点。这些特性使其在日本这样的人口密集地区尤为重要，因为在日本，由于空间有限，传统太阳能电池板往往难以应用。
钙钛矿太阳能电池的多功能性开辟了全新的应用前景。由于其半透明和轻巧的设计，它们可以安装在建筑物的墙壁和窗户、汽车车顶以及路灯上，从而使这些表面都能用于发电。这种灵活性在空间有限的城市中尤为重要，因为在不占用额外土地的情况下最大限度地提高能源产量至关重要。
就效率而言，钙钛矿太阳能电池取得了令人瞩目的进展。其效率已达26.1%，与传统的硅单晶太阳能电池板不相上下，并且这一数字还在持续提升，而硅技术似乎已接近极限。将钙钛矿太阳能电池与硅电池板结合使用前景尤为广阔，因为目前这种组合可以将效率提升至35%以上。此外，钙钛矿太阳能电池的灵活性使其能够开发出结合风能和太阳能的混合系统，从而进一步提高可再生能源的效率。
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日本凭借碘生产获得战略优势
日本在钙钛矿太阳能电池研发领域占据领先地位的关键因素之一是其作为世界第二大碘生产国的地位。碘是钙钛矿太阳能电池生产中必不可少的成分。这一资源优势使日本能够建立独立的供应链，并为国内产业带来广阔的发展前景。通过利用这一自然资源，日本可以构建一个基本自给自足的生产链，从而生产出所需的大量钙钛矿太阳能电池。
日本雄心勃勃的太阳能计划
日本政府公布了一项雄心勃勃的钙钛矿技术应用计划。该国目标是在2040财年之前安装20吉瓦的太阳能发电装机容量，相当于约20座核反应堆的发电量。有了这一装机容量，日本不仅可以退役现有的核反应堆，还可以避免新建核电站来满足未来的能源需求，因为化石燃料发电厂正在逐步淘汰。
这项举措是更广泛的能源计划的一部分。2025年3月13日，日本政府最终确定了一项旨在到2040年将可再生能源在电力结构中的占比提高到50%的基本能源政策草案，以满足不断增长的电力需求。日本已于2021年10月更新了其能源计划，可再生能源成为主要受益者。第六版“战略能源计划”首次提出，从2030年起，将太阳能、风能、水力发电以及生物质能确立为日本主要的能源来源，计划占能源结构的36%至38%。
积水化学的驱动作用
积水化学是日本太阳能战略实施的关键参与者。在日本开发银行（DBJ）的支持下，积水化学于2025年初成立了一家新公司，负责在积水化学的授权下开发、生产和销售钙钛矿太阳能电池。该项目总成本预计超过3100亿日元（19.7亿美元），其中一半资金来自政府拨款。
积水建设计划分阶段投资，首先投资900亿日元，于2027年前建成一条100兆瓦的生产线，随后于2030年前建成一条吉瓦级生产线。为此，该公司将从位于日本西部堺市的夏普工厂采购并利用相关设备。其目标是在2030财年实现新型电池（主要是钙钛矿太阳能电池）年产能1吉瓦。
该公司已明确其技术的应用领域：“我们希望利用该系统轻便灵活的特性来推广其应用，尤其是在公共领域，例如，在发生灾害时用作疏散中心的体育馆，”该公司表示。从长远来看，积水建设计划通过大规模生产降低成本，同时提升市场需求，从而拓展业务，重点关注私营企业工厂和仓库的屋顶和外墙。
投资和生产计划
积水化学计划到 2030 年建成年产 1 吉瓦的钙钛矿太阳能电池生产线。该公司将在该项目上投资约 20 亿美元，其中一半费用由日本政府承担。
第一步是建设一条年产能为 100 兆瓦的生产线，从 2025 年到 2027 年。为此，积水化学将投资 900 亿日元（约合 5.7 亿美元），并利用大阪一家前夏普工厂的部分设施。
政府支持与合作
日本政府积极支持该项目：
- 经济省已根据扩大绿色转型供应链计划向积水化学公司发放了补助金。
- 日本国有开发银行（DBJ）持有新成立的积水太阳能薄膜公司14%的股份，该公司将建立制造工厂。
技术与应用
积水化学株式会社专注于采用卷对卷工艺生产薄型柔性钙钛矿太阳能电池。目前该系列电池的特性如下：
- 效率：15%
- 保质期：10年
- 卷材宽度：30厘米
未来目标包括20%的效率和20年的使用寿命。这种轻便柔性太阳能电池最初将安装在体育馆等公共建筑的屋顶上。之后，计划将其应用于工厂和仓库的屋顶和墙壁上。
长期目标
日本政府的目标是到 2040 年，新型太阳能电池能够贡献约 20 吉瓦的发电量。积水化学计划在实现政府到 2030 年建立吉瓦级生产的目标中发挥关键作用。
钙钛矿太阳能电池取得突破：比以往任何时候都更便宜、更耐用
尽管钙钛矿太阳能电池潜力巨大，但仍面临诸多挑战。与硅太阳能电池相比，其寿命显著缩短，且初始成本较高，这是钙钛矿太阳能电池面临的两大最大挑战。然而，该技术正在不断进步，研究人员正致力于改进钝化技术和开发更稳定的材料组合等解决方案。
2024年，中国一家制造商取得了一项意义非凡的突破：他们推出了首款商用钙钛矿电池，该电池设计寿命长达12年，性能不会出现任何衰减，并且制造商还提供10年质保。预计在25年的使用寿命内，电池性能的衰减将是线性的，而非突变的，从而提高了性能的可预测性。
成本方面也呈现出积极的趋势。据预测，到2040年，日本的每瓦成本将从目前的20日元（约合12欧分）降至10日元（约合6欧分）。成本的降低将进一步提升该技术的竞争力，并促进其广泛应用。
德国物理学家费利克斯·朗发现了钙钛矿半导体的一项非凡特性：自愈能力。这项发现有望显著延长钙钛矿太阳能电池的使用寿命，并有助于改进太阳能电池和X射线设备，其应用范围涵盖地球和太空。
日本的太阳能复兴
日本曾是全球太阳能电池板生产的领头羊，但由于中国制造商的竞争，其市场份额已跌至不足1%。凭借钙钛矿太阳能电池（PSC）技术，日本希望重夺全球市场地位。这不禁让人想起1973年石油危机后的时期，当时日本公共和私营部门携手合作，致力于可再生能源的研发，其太阳能电池板的全球市场份额一度超过50%，之后才被价格更低的中国企业超越。
自2011年3月日本发生核灾难以来，该国的太阳能产业发展迅速。如今，太阳能发电量占总发电量的近10%，而2014年这一比例仅为1.9%。目前的能源计划旨在到2030年将这一比例提高到36%至38%，而电力供应链（PSC）技术将在2040年实现这一目标的过程中发挥关键作用。
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日本可再生能源多元化
尽管钙钛矿太阳能电池是日本能源战略的重点，但该国也在投资其他可再生能源，以实现能源结构多元化并提高能源安全。日本的目标是成为氢能社会，并自2017年以来一直推行氢能战略，这也为其2050年脱碳目标提供了支持。日本政府计划在未来15年内向氢能价值链投资约15万亿日元（约合1070亿美元）。
此外，环境大臣小泉进次郎宣布，环境省将牵头加快地热能开发。行政改革大臣河野太郎宣布，日本的目标是到2030年将地热发电厂的数量翻一番。优惠的上网电价补贴政策和对可再生能源的推广预计将促使地热项目数量不断增加。
此外，日本正在探索将聚变能源作为一种长期能源。日本正与欧盟和美国合作，加速聚变能源的发展，其中私人投资和合作发挥着关键作用。2024年3月底，21家公司成立了日本聚变能源协会（简称J-Fusion），旨在共同推进相关技术和标准的制定。
对全球能源转型的影响
日本对钙钛矿太阳能电池的大规模投资可能对全球能源格局产生深远影响。如果这项技术能够成功实现工业化应用，它将为其他国家，特别是那些人口稠密、缺乏空间建设传统太阳能发电厂的国家，提供借鉴模式。
日本政府对其在钙钛矿太阳能电池领域的投资充满信心，认为必将取得成功。在满足国内市场需求后，日本计划将这项创新技术出口到其他国家，这将有助于全球能源转型，并巩固日本作为技术领域领导者的地位。
钙钛矿太阳能电池的研发也是日本重夺各领域技术领先地位的整体战略的一部分。除了可再生能源，日本还在软件定义汽车（SDV）等其他未来技术领域投入巨资，目标是到2030年占据全球30%的市场份额。
太阳能技术进步助力日本能源未来
日本对钙钛矿太阳能电池的投资标志着其能源格局转型迈出了关键一步。到2040年，日本计划安装相当于20座核反应堆的装机容量，这一雄心勃勃的计划展现了该国对这项创新技术及其对能源转型贡献的信心。
钙钛矿技术因其柔韧性、轻便性和高效性而具有独特的优势，尤其适用于像日本这样人口稠密的国家。尽管在耐久性和成本方面仍存在挑战，但研发领域的持续进展表明，这些障碍是可以克服的。分阶段实施战略的目标是到2030年实现吉瓦级产能，这为雄心勃勃的长期目标奠定了基础。
钙钛矿太阳能电池的广泛应用不仅有助于日本实现其气候目标，减少对化石燃料和核能的依赖，还能重塑其作为太阳能技术领先供应商的地位。日本战略性地利用国内碘产量，并投入巨资发展这项前沿技术，彰显了日本在该领域的决心。
通过这一涵盖技术创新和经济战略的综合性方案，日本正将自身定位为全球能源转型领域的先行者，并展现出一条通往未来可持续能源生产的光明道路。该计划的成功不仅对日本意义重大，而且对全球实现可持续能源未来的努力也至关重要。
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