[读懂科学]未来城市中建筑本身就是发电站
建筑一体化光伏技术BIPV高速增长
采用透光型薄膜太阳能电池通过窗户发电
用AI管理BIPV的未来智慧城市即将到来
[亚洲经济 记者 Kim Bong-su] 为了阻止气候变化，人类必须完成到2050年实现碳中和（net zero）的目标。作为替代石油、煤炭的替代能源，目前最为活跃的是太阳能发电。然而，在国土狭小、山地居多且人口密集的我国，面临着难以确保安装空间这一重大问题。破坏山地、在预期将出现粮食危机的情况下占用农田、从美观上看又常常因沾满鸟粪与灰尘而变成“碍眼的丑陋设施”，在各处都引发争议。作为替代方案而崭露头角的，便是建筑一体化光伏发电（BIPV）技术。
其构想是在窗户、墙面、屋顶、楼顶等处安装轻薄透明的太阳能发电板，由建筑自行生产所需电力。与既有的楼顶型、阳台型方式相比，这是进步得多的模式，无需再建设大规模发电与输配电设施。该技术正作为实现环保·智慧城市的下一代能源技术而备受关注。但除效率性、耐久性等技术瓶颈外，在价格、施工便利性、安全性等方面仍存在大量课题。在我国，输出功率和稳定性较高的透光型太阳能电池技术近期已被开发出来，并建成了示范住宅等，相关研究正全面展开。
不妨设想，在人类通过寻找替代能源战胜气候危机之后，将要生活的未来城市。借助尖端信息通信技术与人工智能（AI）技术，城市的交通、环境、安全、居住、福利等将得到飞跃式发展，成为智慧·环保城市。在这里，将由采用BIPV技术的最尖端建筑构成，这些建筑能够自行生产与储存能源，并由人工智能进行优化，实现高效管理。为获取太阳能发电用地，再也不必用丑陋的太阳能板覆盖湖泊、农田和林地。充分利用建筑的门窗与外墙、隔音墙等城市各处闲置空间的建筑一体化光伏发电系统，将塑造这样的未来。
我国也已经开始着手准备。自2020年起，新建公共建筑被法律要求，必须利用新·可再生能源设备生产其年用能量一定比例（以去年为基准为32%）以上的能源。为扩大零能耗建筑，对民间建筑也在推进到2030年前强制认证。到2025年，建筑总面积500平方米以上的公共建筑、1000平方米以上的民间建筑必须强制采用零能耗建筑设计。到2030年，建筑总面积500平方米以上的所有公·私营建筑，都必须获得零能耗认证，以实现温室气体减排目标。
在全球范围内，BIPV市场也在快速增长。根据韩国研究财团（NRF）的研究开发简报报告，全球市场信息分析公司Grand View Research在去年发布的BIPV动向报告中推算，2021年全球BIPV市场规模为166.2亿美元。尤其是预计从2022年至2030年将以年均20.5%的速度快速增长，到2030年将达到883.8亿美元。Airzton公司的报告则预测，我国BIPV发电市场将从2020年的1.1亿美元，以年均21.19%的速度增长，到2026年达到3.6亿美元。
要将建筑应用型太阳能发电技术实现商业化，必须开发出能够超越现有单纯硅太阳能电池组件的技术。首先当务之急，是开发出可加工成曲面型、屋顶型等形式，并可安装在墙面或隔音墙上的、既薄又轻且高效的薄膜太阳能电池。特别是若要作为门窗使用，就必须在适度透光的同时保持高效率。由于其将作为建筑材料使用，因而也需要能够呈现多种颜色的技术。价格竞争力同样必不可少。目前，相较于楼顶型太阳能板，窗户型、墙面型太阳能板的价格至少高出5至10倍。尤其被视为建筑一体化光伏技术精髓的，是占建筑面积平均45%的窗户型。其概念是在玻璃上附着极薄且可透光的太阳能电池来进行发电。
问题在于，这是一项必须同时兼顾发电效率与透光性的艰难技术。与此相关，去年7月，我国韩国科学技术研究院（KIST）以一项引人注目的研究成果，吸引了全球关注。由Jung Jeunghyun KIST下一代太阳能电池研究中心主任与Yoo Hyunggeun博士领导的研究团队，应用透明氧化物电极及银（Ag）前驱体技术，开发出了利用CIGS材料的透光型太阳能电池，在确保透明度的同时，仍可维持目前广泛使用的晶体硅太阳能电池同等水平的高效率（23.4%）。CIGS是Cu(InGa)Se2的缩写，是由铜、铟、镓、硒4种元素构成的化合物。
此前也曾开发出CIGS化合物太阳能电池，但由于背电极采用钼金属而不透明，这是其缺点。研究团队采用可蚀刻至数微米（㎛）尺寸的激光工艺，均匀形成微细图案，去除了不透明的薄膜材料，从而实现了光透过。另外，他们使用氧化铟锡（ITO）作为背电极，并在其上应用银（Ag）前驱体，降低了界面电阻，从而确保了高效率。Jung主任表示：“窗户型薄膜太阳能电池必须同时实现透明度和发电效率，如果能够掌握一种技术，使大约50%的光线透过，另有约50%用于发电，就可以实现这一目标”，“今后仍面临着提升发电性能与激光蚀刻能力的课题。”
NRF报告也指出：“要快速、大规模普及太阳能能源，就必须摆脱既有的硅太阳能电池，转向可应用于建筑、汽车、日用品等领域的薄膜太阳能电池”，“有必要基于低成本溶液工艺，掌握能够实现多种颜色的源头技术。”
版权所有 © 阿视亚经济 (www.asiae.co.kr)。 未经许可不得转载。
