鈣鈦礦在過去十年中作為一種新型的高效太陽能電池材料脫穎而出，其功率轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了25.7%。(1,2) 鈣鈦礦光活性材料具有固有的優(yōu)勢，可實(shí)現(xiàn)高功率轉(zhuǎn)換效率，例如長載流子擴(kuò)散長度、高載流子遷移率、低激子結(jié)合能、高吸收系數(shù)和通過交換前體組分的帶隙可調(diào)性。(3,4) 這些材料的另一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是可以在低溫下通過溶液方法來沉積薄膜，它可以通過高通量的卷對卷工藝在柔性聚合物基材上進(jìn)行經(jīng)濟(jì)高效的生產(chǎn)。(5) 預(yù)計(jì)到2030 年，鈣鈦礦太陽能技術(shù)將超過全球光伏市場的29%。(6)
塑料箔的使用還為光伏產(chǎn)品提供了一系列新的優(yōu)勢，其中非成本相關(guān)因素可以提供重要的杠桿作用，例如重量輕、比功率高以及易于與各種表面集成。(7) 將鈣鈦礦與成熟的光伏技術(shù)區(qū)分開來的一個(gè)重要因素是高水平產(chǎn)品定制的可能性，符合客戶在特定應(yīng)用中的需求。 這可以在同時(shí)進(jìn)入市場的同時(shí)實(shí)現(xiàn)更長時(shí)間的技術(shù)孵化，從而緩解大規(guī)模市場進(jìn)入的挑戰(zhàn)。(8) 定制的柔性鈣鈦礦太陽能組件示例如圖 1 所示。
鈣鈦礦太陽能電池是為消費(fèi)電子產(chǎn)品供電的絕佳解決方案，尤其是物聯(lián)網(wǎng)(IoT)生態(tài)系統(tǒng)，其中數(shù)十億傳感器節(jié)點(diǎn)連接到電網(wǎng)。(9,10) 當(dāng)前的研究趨勢轉(zhuǎn)向低功耗設(shè)備和協(xié)議，提高能源效用以增加網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍、減少延遲、最大限度地減少能源損失并提高數(shù)據(jù)可靠性。物聯(lián)網(wǎng)市場呈指數(shù)級增長，創(chuàng)建了一個(gè)龐大的互聯(lián)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，包括智能手機(jī)、廚房電器、工業(yè)機(jī)器人、醫(yī)療保健設(shè)備或聯(lián)網(wǎng)汽車。據(jù)估計(jì)，到2020年底，全球有113億臺聯(lián)網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，到2025年，這個(gè)數(shù)字應(yīng)該會(huì)增長到270億臺。(11) 應(yīng)該注意的是，許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用不需要持續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸。一種常見的方法是收集數(shù)據(jù)并將其存儲(chǔ)在內(nèi)存中，然后以較短的間隔分發(fā)數(shù)據(jù)包。目前，絕大多數(shù)未接入電網(wǎng)的無線探測器都使用電池。市場上有很多電池產(chǎn)品;然而，它們的容量和壽命始終是數(shù)據(jù)傳輸可用范圍和頻率的限制因素。此外，必須考慮定期更換電池的額外維護(hù)成本。(12) 室內(nèi)光伏 (IPV) 提供了一種有前途的能源供應(yīng)替代方案，它收集環(huán)境光并將其轉(zhuǎn)化為電能。(12,13) 為了使其在商業(yè)上可行，光伏電池在其生命周期內(nèi)需要提供比典型電池(例如 1860 mWh的CR2450紐扣電池或3500 mWh的AA電池)中存儲(chǔ)的能量更多的能量。此外，這應(yīng)該在可用的最小區(qū)域內(nèi)提供，因?yàn)橹圃焐陶趯で鬁p小其產(chǎn)品的尺寸。因此，低光照條件下的高功率密度是這些應(yīng)用的關(guān)鍵要求之一。此外，經(jīng)常要求設(shè)計(jì)和形狀的靈活性，因?yàn)槟芰渴占臒o縫集成是產(chǎn)品設(shè)計(jì)師的共同要求。從可靠性認(rèn)證的角度來看，室內(nèi)光伏需要通過不太嚴(yán)格的測試;最近制定的IEC 63163旨在解決這個(gè)問題。(14) 太陽能電池的工作原理與典型的戶外使用有很大不同，典型的戶外使用光強(qiáng)度通常要高幾個(gè)數(shù)量級。出于這個(gè)原因，傳統(tǒng)的光伏技術(shù)，如c-Si，并不適合這些應(yīng)用。具有可調(diào)節(jié)帶隙和良好光電特性的鈣鈦礦被證明是低光使用的理想選擇，具有出色的性能參數(shù)。(15,16)
雖然物聯(lián)網(wǎng)市場巨大且增長迅速，但要確定能量收集的最佳應(yīng)用并非易事。用例將定義需要由太陽能模塊提供的功率預(yù)算。放置設(shè)備的環(huán)境和產(chǎn)品的外形尺寸定義了可能收集的能量的邊界條件。最重要的是，從業(yè)務(wù)角度來看，整合應(yīng)該是有意義的，因此需要進(jìn)行仔細(xì)的成本/收益分析，同時(shí)考慮到環(huán)境影響。為了解決這些問題，Saule的方法是查看物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序中最大和增長最快的部分，并按位置、部門、設(shè)備類型和價(jià)值主張對其進(jìn)行分類。表 1 總結(jié)了一些已識別的機(jī)會(huì)。
市場規(guī)模和增長當(dāng)然不是唯一需要考慮的重要方面。從制造商的角度來看，開發(fā)定制量最少的產(chǎn)品很重要，因?yàn)檫@會(huì)帶來額外的風(fēng)險(xiǎn)和成本。此外，如何將額外的功率預(yù)算貨幣化是非常重要的?？紤]到所有這些，電子貨架標(biāo)簽似乎是最有吸引力的選擇之一。Saule 開發(fā)的基于鈣鈦礦的電子貨架標(biāo)簽 (PESL) 的示例和用于制造柔性鈣鈦礦 PV 的試點(diǎn)生產(chǎn)設(shè)施如圖 2 所示。
全球智能價(jià)簽市場預(yù)計(jì)將從 2020 年的 18 億美元增長到 2026 年的 71 億美元，累計(jì)年增長率 (CAGR) 為 25.1%。(34) 智能價(jià)格標(biāo)簽技術(shù)在市場上相對較新，正在接受零售商的各種實(shí)施測試。使用電子貨架標(biāo)簽代替紙質(zhì)解決方案已經(jīng)提供了許多優(yōu)勢。關(guān)鍵點(diǎn)包括降低人工成本和消除人為錯(cuò)誤，因?yàn)閮r(jià)格可以分配給庫存單位 (SKU) 并自動(dòng)更新。當(dāng)前市售的電子貨架標(biāo)簽通常使用電子紙進(jìn)行展示，這是將此類設(shè)備的能源需求降至最低的絕佳選擇。(35) 電子紙只需要更新顯示屏上的內(nèi)容就需要能量，這意味著只要商品的定價(jià)沒有變化，傳統(tǒng)的ESL可以持續(xù)相當(dāng)長的時(shí)間。目前市場上的典型產(chǎn)品平均使用壽命為5年，每天更新 1 或 2 次價(jià)格。(36) 人們可能認(rèn)為這對于大多數(shù)目的來說已經(jīng)足夠了;然而，自 2020 年以來，零售世界在很多方面發(fā)生了變化。
過去十年，電子商務(wù)一直是一個(gè)穩(wěn)步發(fā)展的領(lǐng)域;然而，特別是自大流行爆發(fā)以來，其重要性顯著增加。(37) 隨著新技術(shù)的出現(xiàn)，網(wǎng)上購物量的增加使傳統(tǒng)零售商處于更大的劣勢。數(shù)字商店可以收集有關(guān)其客戶和購物習(xí)慣的大量數(shù)據(jù)，并且他們可以使用這些信息來優(yōu)化他們的定價(jià)，甚至每天多次以實(shí)現(xiàn)最大的盈利能力。根據(jù)價(jià)格情報(bào)公司Profitero的說法，在線市場巨頭亞馬遜每 10 分鐘就會(huì)更改一次產(chǎn)品價(jià)格。(38) 另一個(gè)因素是，全球供應(yīng)鏈的中斷使產(chǎn)品的可用性降低——更頻繁地改變供需平衡。(39) 作為錦上添花，創(chuàng)紀(jì)錄的高通脹值進(jìn)一步推動(dòng)了更頻繁的定價(jià)變化。歐盟統(tǒng)計(jì)局報(bào)告稱，2022 年 7 月歐元區(qū)的年平均通貨膨脹率為 8.9%，但未加工食品的這一數(shù)值可能高達(dá) 11.0%，而波羅的海國家則超過 20%。(40) 實(shí)體店發(fā)現(xiàn)這些問題越來越難以處理。即使他們使用相同的策略來更新價(jià)格，電子貨架標(biāo)簽也會(huì)很快耗盡其電池容量。這就是光伏電池增強(qiáng)型解決方案可以提供重要影響力的地方，使傳統(tǒng)零售商能夠與他們的數(shù)字同行競爭。
額外產(chǎn)生的利潤的附加值預(yù)計(jì)將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過包括太陽能電池、電源管理系統(tǒng)和使用可再生電池在內(nèi)的額外成本。此外，電子紙制造商和市場上的產(chǎn)品尺寸都很好地確定了 ESL 的外形尺寸，其中對 1.54 英寸、2.13 英寸和 2.66 英寸顯示器尺寸的需求最高。每年幾百萬件的生產(chǎn)意味著穩(wěn)定的需求，并且有針對性的小光伏單元尺寸使其易于實(shí)施。因此，作者認(rèn)為它是解決鈣鈦礦光伏市場入口的絕佳選擇。
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