日本需要更細(xì)致的鈣鈦礦戰(zhàn)略

2025年10月，日本首相高市早苗在議會表示，鈣鈦礦太陽能電池板與核能將成為其政府能源安全和可負(fù)擔(dān)性政策的核心。對鈣鈦礦的重視基于經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省(METI)2024年發(fā)布的“下一代太陽能電池戰(zhàn)略”，該戰(zhàn)略將非常規(guī)太陽能電池技術(shù)置于日本可再生能源規(guī)劃的優(yōu)先地位，并為其部署設(shè)定了生產(chǎn)和價格目標(biāo)。

日本公司正在積極開發(fā)和試點這項技術(shù)，而包括中國、德國和英國在內(nèi)的其他國家也在鈣鈦礦太陽能電池生產(chǎn)方面取得了近期進展。

但日本政府對鈣鈦礦的目標(biāo)有多現(xiàn)實?該技術(shù)仍處于早期開發(fā)階段，日本領(lǐng)先企業(yè)的成本展望顯示，鈣鈦礦太陽能電池到2040年將無法與傳統(tǒng)的硅基太陽能光伏(PV)競爭。認(rèn)真對待這一預(yù)測意味著日本的鈣鈦礦戰(zhàn)略需要更細(xì)致的層次。鈣鈦礦應(yīng)被視為一種利基技術(shù)，應(yīng)用于無法安裝傳統(tǒng)太陽能光伏的地方，并作為提升傳統(tǒng)光伏效率的輔助技術(shù)。

鈣鈦礦太陽能電池的現(xiàn)狀與日本戰(zhàn)略

鈣鈦礦太陽能電池是一種非硅基光伏技術(shù)，使用鈣鈦礦晶體，非常適合吸收光線。目前有三種類型的鈣鈦礦正在開發(fā)中。第一種是薄膜，鈣鈦礦層沉積在薄基底上——通常是塑料或金屬箔。第二種是玻璃型，鈣鈦礦電池被玻璃封裝，使設(shè)計結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且耐用。最后，串聯(lián)型將鈣鈦礦電池與另一種光伏技術(shù)——最常見的硅——結(jié)合在一起。

在這三者中，薄膜類型在日本尤其受到關(guān)注。然而，在各種太陽能技術(shù)中，這些鈣鈦礦太陽能電池仍處于早期階段。國際能源署(IEA)ETP清潔能源技術(shù)指南指出，鈣鈦礦已達到大規(guī)模原型和完整原型階段，但距離成熟和市場擴展仍有很長的距離。

IEA指出，根據(jù)類型不同，實驗性鈣鈦礦的轉(zhuǎn)化效率在25%到34%之間，但目前僅在較小的細(xì)胞面積下實現(xiàn)。商業(yè)化的一個主要障礙是其耐用性有限。當(dāng)暴露于濕氣、氧氣、光線和熱量時，電池壽命可降至5至12年——遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)太陽能電池板假定的25年壽命。許多試點該技術(shù)的公司仍未公開穩(wěn)定性分析或電池壽命。

盡管面臨挑戰(zhàn)，日本的戰(zhàn)略設(shè)定了雄心勃勃的鈣鈦礦生產(chǎn)和部署目標(biāo)。到2030年，METI預(yù)計國內(nèi)產(chǎn)能超過1吉瓦(GW)的鈣鈦礦太陽能電池。日本目前尚未大規(guī)模生產(chǎn)鈣鈦礦電池，但計劃在本十年后期投入新生產(chǎn)線。到2040年，計劃安裝總?cè)萘窟_到20吉瓦，實現(xiàn)完全自給自足的供應(yīng)鏈。同樣重要的是，METI還公布了價格目標(biāo)，目標(biāo)是將鈣鈦礦的電力平穩(wěn)化成本(LCOE)從每千瓦時20日元逐步降至2030年每千瓦時14日元，最終到2040年降至10至14日元/千瓦時之間。METI于2025年2月在其第七個戰(zhàn)略能源計劃中重申了這些目標(biāo)。

盡管日本第七次戰(zhàn)略能源計劃明確了鈣鈦礦部署的目標(biāo)，但對傳統(tǒng)太陽能技術(shù)卻沒有同樣精確的目標(biāo)。目前估算顯示，總太陽能裝機容量需提升至200GW至250GW，才能滿足計劃的發(fā)電目標(biāo)。這意味著如果日本能在2040年前實現(xiàn)20GW的鈣鈦礦裝機目標(biāo)，鈣鈦礦將占該國太陽能發(fā)電容量的10%。

日本政府早在這些目標(biāo)被正式確定之前就一直在支持鈣鈦礦的研發(fā)。在2022至2024財年間，公司為所謂的“下一代可再生能源”(包括鈣鈦礦)提供了548億日元(約合3.645億美元)的補貼。未來十年，計劃再投入1萬億日元(66.5億美元)以促進31萬億日元(2060億美元)的公私投資。

鈣鈦礦的好處是真實存在的

為什么日本政策制定者如此致力于讓鈣鈦礦達到技術(shù)成熟和廣泛應(yīng)用?《下一代太陽能電池戰(zhàn)略》強調(diào)鈣鈦礦可能為日本能源系統(tǒng)帶來的多項優(yōu)勢、工業(yè)競爭力和減排。

首先是對該國傳統(tǒng)太陽能光伏未來增長的感知限制。2012年上網(wǎng)電價的引入最初推動了太陽能的快速部署，使日本的太陽能發(fā)電量躍升至世界第四高。然而，近年來太陽能的部署有所放緩。正如能源經(jīng)濟與金融分析協(xié)會(IEEFA)2025年8月的一份報告所示，這種放緩部分原因是電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施限制、化石和核技術(shù)的優(yōu)先考慮，以及對可再生能源政策支持的搖擺。

鈣鈦礦薄、輕且高度多用途，理論上可以安裝在建筑墻體、窗戶及許多其他城市表面上，因此有潛力繞過這些障礙。城市安裝也意味著鈣鈦礦可以與電力需求中心共址。這有助于減輕日本區(qū)域電網(wǎng)的負(fù)擔(dān)，增強電力輸配系統(tǒng)的韌性。

日本政府還強調(diào)鈣鈦礦在工業(yè)戰(zhàn)略和能源安全方面帶來的優(yōu)勢。日本曾是領(lǐng)先的太陽能電池板制造商，自2005年起被中國超越，成為全球太陽能電池板出口國。隨著鈣鈦礦太陽能電池產(chǎn)業(yè)仍處于起步階段，日本看到了重新獲得與中國及其他競爭對手競爭競爭力的機會。尤其是因為日本是碘的第二大生產(chǎn)國——鈣鈦礦太陽能電池的關(guān)鍵原料——這也支持了METI建立完全自給自足供應(yīng)鏈的目標(biāo)。因此，在尚未被任何國家主導(dǎo)的太陽能技術(shù)中獲得競爭優(yōu)勢的可能性具有特別的吸引力。

價格目標(biāo)不切實際

雖然鈣鈦礦太陽能電池的宣傳優(yōu)勢確實存在，但METI的目標(biāo)價格似乎不夠現(xiàn)實。鑒于政策優(yōu)先事項往往影響了METI的成本假設(shè)，這或許不足為奇。

在2025年1月的新聞發(fā)布會上，日本領(lǐng)先的鈣鈦礦制造商赤水化學(xué)表示，預(yù)計到2030年其薄膜型鈣鈦礦的最低成本(LCOE)將達到約20日元/千瓦時，而政府同年目標(biāo)為14日元/千瓦時。目標(biāo)與預(yù)測之間的這種差異很可能會持續(xù)。發(fā)布戰(zhàn)略文件幾個月后，METI匯總了日本六家鈣鈦礦太陽能電池制造商的成本展望。根據(jù)最終預(yù)測，鈣鈦礦的LCOE到2040年將達到約15.3日元/千瓦時——遠(yuǎn)高于該部設(shè)定的2040年10至14日元/千瓦時目標(biāo)。更重要的是，鈣鈦礦的LCOE預(yù)測將遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)住宅和公用事業(yè)規(guī)模的太陽能光伏——到2040年分別為7.6–10.4日元/千瓦時和6.6–8.4日元/千瓦時。

METI的預(yù)測還表明，鈣鈦礦在耐久性方面仍不及傳統(tǒng)光伏。雖然商業(yè)和住宅太陽能光伏預(yù)計可持續(xù)25年，但鈣鈦礦在理想條件下的性能預(yù)計到2040年僅為20年。

這些差異將影響鈣鈦礦太陽能電池的需求。如今，日本建筑公司和設(shè)施運營商指出，鈣鈦礦成本較高且耐久性較短，使其投資競爭力不及傳統(tǒng)太陽能光伏。雖然技術(shù)進步和規(guī)模經(jīng)濟將在中長期縮小這些差距，但期望鈣鈦礦太陽能電池到2040年成為現(xiàn)有太陽能光伏的完美替代品仍屬癡心妄想。

更細(xì)致的鈣鈦礦策略的理由

鈣鈦礦太陽能電池有望提升日本的國際競爭力、資源和能源安全以及減排。然而，它們的成本和性能劣勢很可能仍然存在。這一現(xiàn)實需要比政府目前采取的更為細(xì)致的策略。

首先，鈣鈦礦應(yīng)被視為次要產(chǎn)品，其次是硅基太陽能光伏和其他成熟的清潔能源技術(shù)。例如，東北大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一項新研究表明，屋頂太陽能電池板與電動汽車結(jié)合作為電池，可以供應(yīng)日本85%的電力需求，并減少87%的二氧化碳排放。包括日本環(huán)境省在內(nèi)的先前研究也顯示，現(xiàn)有的可再生能源技術(shù)能夠滿足該國絕大多數(shù)的能源需求。因此，政府應(yīng)優(yōu)先補貼這些成熟且具成本競爭力的清潔能源技術(shù)的生產(chǎn)和采用，同時設(shè)定明確且雄心勃勃的部署目標(biāo)。

其次，薄膜型鈣鈦礦應(yīng)被視為一種專門設(shè)計用來填補硅基太陽能板無法解決空白的利基技術(shù)。因此，部署激勵應(yīng)針對無法安裝硅基光伏系統(tǒng)的場景，而非試圖讓鈣鈦礦直接與經(jīng)過驗證且具成本效益的太陽能技術(shù)競爭。這些情況包括無法承受硅基面板重量的屋頂、建筑墻體以及靠近電力需求中心的其他基礎(chǔ)設(shè)施。

第三，政府和制造企業(yè)應(yīng)強調(diào)串聯(lián)式鈣鈦礦太陽能電池，以提升現(xiàn)有太陽能光伏的性能。串聯(lián)型鈣鈦礦將鈣鈦礦電池與另一種光伏技術(shù)——最常見的是硅——結(jié)合在一起。由于硅層和鈣鈦礦層分別利用太陽光譜的不同部分發(fā)電，串聯(lián)型極大地提高了功率轉(zhuǎn)換效率。

目前，日本政府和企業(yè)正大力投資于薄膜型鈣鈦礦太陽能電池的商業(yè)化。然而，公司自身的預(yù)測表明，即使到2040年，這些電池在成本和性能上也無法與傳統(tǒng)太陽能光伏競爭。這凸顯了在確定鈣鈦礦應(yīng)如何融入日本更廣泛太陽能部署計劃時，需要更現(xiàn)實的評估和細(xì)致入微的策略。