你敢想，有一家物聯(lián)網(wǎng)廠商在做這么一件事：
告別電池，用有機光伏(OPV)技術(shù)，為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供能源。口號就是要做“電池時代的終結(jié)者”!
這不，法國公司Dracula Technologies最近官宣低光能量收集解決方案并開啟量產(chǎn)。據(jù)Dracula Technologies稱，其新的智能工廠量產(chǎn)時間在2024年初，預(yù)計每年可生產(chǎn)高達1.5億平方厘米的OPV器件。而這些OPV器件就可以用于無需電池的LoRaWAN物聯(lián)網(wǎng)連接。
說到這兒，估計就有人問了，OPV-IoT是如何取代電池的?
聊聊這家智能工廠在做什么?
什么是OPV?
OPV是“有機光伏”(Organic Photovoltaics)的縮寫，也被稱為“有機太陽能電池”，是一種利用有機半導(dǎo)體材料來轉(zhuǎn)換光能為電能的太陽能電池技術(shù)。與傳統(tǒng)硅太陽能電池不同，OPV太陽能電池使用有機化合物而不是無機材料，來捕獲光子并產(chǎn)生電流。
而OPV-IoT，是指將有機光伏技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合的應(yīng)用技術(shù)。在這種情況下，OPV技術(shù)將為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供能源，驅(qū)動其運行或充電。這種結(jié)合可以為物聯(lián)網(wǎng)帶來一些獨特的優(yōu)勢，特別是在低光條件下，需要無線通信、長期運行的暗環(huán)境中。Dracula Technologies這次用的就是有機光伏技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合。
與其他一些光伏技術(shù)相比，有機光伏(OPV)技術(shù)更適合在低光環(huán)境下轉(zhuǎn)換電能，主要原因有三點：
1. 廣譜吸收
OPV材料可以吸收廣譜光，包括可見光和近紅外光。這意味著它們能夠在弱光條件下捕獲寬范圍的波長。其他一些技術(shù)光譜吸收能力更有限，在低光環(huán)境下效果不佳。
2. 弱光啟動能力
OPV技術(shù)具有弱光啟動能力，這意味著即使在弱光條件下也可以開始發(fā)電。這是由于啟動光伏過程所需的光閾值較低。與之相比，其他技術(shù)路線需要更高的光強度才能開始發(fā)電。
3. 靈活性和便攜性
OPV設(shè)備通常靈活輕便，適用于廣泛的應(yīng)用。它們可以集成到各種形狀設(shè)備中，并在柔性基板上使用，這使它們能夠適應(yīng)不同的表面和形狀。這種靈活性在光線不足的室內(nèi)環(huán)境中是有利的，傳統(tǒng)剛性太陽能電池板未必適合。
以Dracula Technologies為例，他們開發(fā)了一種運行在有機光伏(OPV)太陽能電池上的追蹤器，它可以根據(jù)所需的輸出功率打印成任何尺寸，在普通噴墨打印機上使用特殊的OPV墨水，將其粘貼到0.3mm的不干膠貼紙上。
至于通信連接方面，OPV LoRaWAN 裝置采用 Semtech 模塊和 The Things Industries(TTI)的云堆棧，以及一些未透露姓名的法國制造商的工程技術(shù)。
OPV 技術(shù)在最黑暗的條件下獲取電力，例如在倉庫或“黑燈”工廠中，工作所需單位面積光通量(lux)低至 500。作為參考，日常室外光線接近 10000 勒克斯。
該公司相關(guān)負責(zé)人Koopmans稱，Dracula Technologies 的解決方案的品牌名為 LAYER，該名稱是“讓光成為你的能量供給方”(Light As Your Energetic Response)的縮寫，出于營銷目的，公司Logo還以蝙蝠形狀的 OPV 打印輸出形式呈現(xiàn)。實際上，它只需要一束暗光(低至1 lux，幾乎完全黑暗)就可以喚醒并發(fā)出信號，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到 LoRaWAN 網(wǎng)關(guān)，以滿足物聯(lián)網(wǎng)定位等需求。
圖片來自：RCRWireless News
根據(jù)歐盟的學(xué)術(shù)研究，到 2025 年，每天將有大約 7800 萬顆來自電池供電物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的電池被丟棄。
Dracula Technologies一位工作人員強調(diào)道：“OPV 是最環(huán)保的光伏技術(shù)。相比下，一些競爭對手聲稱擁有綠色技術(shù)，但它們并不像大家想象的那么綠色。比如，硅基光伏電池……是不可持續(xù)的。因為如果大家使用鉛或其他稀土材料等材料，那么大家就無法可持續(xù)發(fā)展。而OPV 是一條出路。”
Dracula Technologies 目前在法國擁有 30 名員工，并從 Semtech 等戰(zhàn)略投資者和法國 BPI 等金融投資者獲得了 2500 萬歐元(合人民幣1.93億元)的融資。
公司正在建造一個全新的生產(chǎn)設(shè)施，Koopmans說。“從明年(2024年1月)開始，年產(chǎn)能將達到1.5億單位的產(chǎn)品。我們已準備好應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。” 但顯然，這次宣傳不僅僅關(guān)乎可持續(xù)發(fā)展，還關(guān)乎可持續(xù)發(fā)展。公司聲稱獲得了一連串的商業(yè)收益。
最近在荷蘭舉行的物聯(lián)網(wǎng)大會上，Koopmans 表示，傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)傳感器解決方案的前期成本可能僅為 100 歐元，但對于客戶來說，其整個服務(wù)生命周期的總成本(TCO)可能接近 500 歐元——畢竟后續(xù)還有上門服務(wù)與手動干預(yù)(部署、入職、管理、電池更換)相關(guān)支出。
Koopmans 表示：“我們已經(jīng)與許多物流公司進行了交談，他們都非常愿意部署 LoRaWAN 傳感器，但他們表示，如果使用電池供電，他們無法在全球范圍內(nèi)部署數(shù)百萬個單位，使用無源設(shè)備是必要之選。所以我們現(xiàn)在推出了一款無源 LoRaWAN 設(shè)備，可以提供室內(nèi)和室外的地理定位服務(wù)。”
該解決方案基于 Semtech 幾年前推出的 LR1110/LoRa Edge 平臺，自帶初始功率增強能力，且將計算負擔(dān)(從 GNSS 和 Wi-Fi 掃描中計算位置數(shù)據(jù))從設(shè)備轉(zhuǎn)移到云端，以降低傳感器的電池使用。該方案中，將 OPV 電源集成到無需進行任何邊緣計算的超低功耗 LR1110 解決方案中，是落地關(guān)鍵。
打印輸出的材料大小取決于 OPV 電池的數(shù)量，該數(shù)量由照明條件和功率要求決定。Koopmans解釋道。該公司將打印任何形狀或形式的 OPV 標簽。“我們不會拘泥于任何固定的形狀或者其他什么。生產(chǎn)過程完全靈活”，相關(guān)負責(zé)人解釋道。
目前，該公司已經(jīng)驗證，旗下產(chǎn)品可以在光線非常暗的情況下工作……在物流倉庫和配送中心，那里有托盤、箱子、起重機或任何在黑暗中操作的物體。現(xiàn)在無需電池，即可定位這些資產(chǎn)。
有機光伏的發(fā)展及研究情況
根據(jù)中國光伏行業(yè)協(xié)會的數(shù)據(jù)，2021年，我國光伏產(chǎn)業(yè)將實現(xiàn)穩(wěn)定增長。多晶硅、硅片、電池片和組件產(chǎn)量同比分別達到50.5萬噸、227吉瓦、198吉瓦和182吉瓦，分別增長28.8%、40.7%和46.9%、46.1%，這四種化合物產(chǎn)值突破7500億元。與此同時，產(chǎn)業(yè)集中度進一步提高。在多晶硅、硅片、電池片、組件四大領(lǐng)域，前五名制造企業(yè)分別占國內(nèi)總產(chǎn)量的86.7%、84%、53.9%和63.4%，前五名企業(yè)規(guī)模經(jīng)濟明顯。
到有機光伏方面，智研瞻產(chǎn)業(yè)研究院的分析認為，預(yù)計未來幾年，全球有機光伏市場將繼續(xù)保持強勁增長，不過目前而言，市場規(guī)模相對較小，只占太陽能市場的一小部分。
為什么有機光伏的市場規(guī)模目前仍然較小?
2021年，北京大學(xué)工學(xué)院材料科學(xué)與工程系博士李騰飛和其導(dǎo)師占肖衛(wèi)教授一篇分析提到，有機光伏存在如下幾個問題：
一是光伏效率低，目前市面上的有機光伏效率普遍低于20%;
二是產(chǎn)業(yè)化成本高，活性層與電機材料的成本比較高;
三是組件壽命低，從穩(wěn)定性結(jié)果可以看出，器件的使用壽命很難達到10年以上。
從歷史上看，OPV產(chǎn)業(yè)化在發(fā)展進程中經(jīng)歷了兩次大的沖擊。
第一次是晶硅太陽能電池產(chǎn)能過剩的沖擊，這次沖擊使光伏電價大幅度下降。即使是印刷制備的OPV，由于效率太低與壽命較短，完全無法與晶硅太陽能電池在市場上競爭。
典型例子是美國Konarka公司的倒閉。Konarka公司是最早采用卷對卷印刷方法生產(chǎn)OPV的企業(yè)，諾貝爾獎獲得者A Heeger是該企業(yè)的合伙人之一。2010年該公司生產(chǎn)的Power Plastic光伏電池的轉(zhuǎn)換效率由美國國家再生能源實驗室(NREL)認證達到8.3%，隨后在2012年轉(zhuǎn)換效率達到8.8%-9%。盡管Konarka公司有過不少值得稱許的業(yè)績，也曾得到不少的風(fēng)險投資和政府資助，但因市場開拓不利，遲遲不能盈利，公司于2012年6月宣布破產(chǎn)保護。2012年10月Konarka的德國分廠被德國太陽能光伏集成企業(yè)收購，更名為Belectric OPV GmbH。
有機光伏經(jīng)歷的第二次沖擊是鈣鈦礦太陽能電池的出現(xiàn)，造成原來一些研究開發(fā)OPV的研究機構(gòu)轉(zhuǎn)向研發(fā)鈣鈦礦光伏，有機光伏的產(chǎn)業(yè)化項目在資本市場上受到冷落。
但隨著OPV的光電轉(zhuǎn)化效率逐漸的攀升，在經(jīng)歷了Konarka公司破產(chǎn)的低谷之后，OPV產(chǎn)業(yè)也正在逐步走向復(fù)蘇。雖然困難重重，隨著OPV技術(shù)的成熟和商業(yè)化進程的推進，其市場規(guī)模有望逐漸擴大。
據(jù)智研瞻產(chǎn)業(yè)研究院相關(guān)研究指出，特別是在建筑一體化應(yīng)用、可穿戴設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域，OPV的柔性和輕薄特性將賦予其獨特的優(yōu)勢，可能被廣泛采用。此外，全球?qū)沙掷m(xù)能源的需求正在增長，人們對環(huán)境友好型太陽能解決方案的興趣也在增加。作為一種相對低成本、柔性和環(huán)保的太陽能技術(shù)，OPV有望滿足這一需求，并在未來的能源市場中發(fā)揮重要作用。
我國有機光伏行業(yè)的市場規(guī)模在過去幾年中一直保持穩(wěn)定增長。根據(jù)中國儲能網(wǎng)的數(shù)據(jù)，2020年我國有機光伏行業(yè)市場規(guī)模達到了11.36億元人民幣，同比增長了10%。
另據(jù)中國光伏網(wǎng)的介紹，國際上的一些OPV的先驅(qū)公司有Konarka、Solarmer等，研究機構(gòu)包括丹麥Frederik C Krebs課題組和澳大利亞聯(lián)邦科工組織(CSIRO)等均在OPV的前沿領(lǐng)域進行了深入研究。
此外，開發(fā)新型光伏材料一直是科技界的熱門課題。歐盟在過去10余年中執(zhí)行了一系列與有機光伏相關(guān)的研究項目。國內(nèi)也有多個研究團隊一直在OPV領(lǐng)域耕耘，從基金委到科技部都支持了相關(guān)研究項目。在OPV的印刷制備技術(shù)開發(fā)方面，國內(nèi)幾乎與國外是同時開始的。
北京大學(xué)、國家納米科學(xué)研究中心、中科院化學(xué)所、中科院蘇州納米所、蘇州大學(xué)、華南理工大學(xué)和中南大學(xué)等知名的科研院所早在多年以前就已經(jīng)開展OPV印刷制備的相關(guān)基礎(chǔ)研究工作。
關(guān)于有機光伏在國內(nèi)的相關(guān)研究更多進展，中國科學(xué)院院士李永舫在2022年一篇論文《有機光伏研究的創(chuàng)新之路》中表示：
我國的有機光伏研究從最初的跟隨性研究達到了引領(lǐng)有機光伏領(lǐng)域發(fā)展的階段。現(xiàn)在有機光伏已經(jīng)看到了實現(xiàn)實際應(yīng)用的曙光，下一步應(yīng)該在降低光伏材料和器件制備的成本、光伏材料的放大合成和光伏器件的大面積制備、柔性透明電極的低成本大規(guī)模制備、提高柔性有機太陽電池光伏性能和穩(wěn)定性等方面繼續(xù)努力，爭取早日在我國實現(xiàn)柔性有機太陽電池的商品化應(yīng)用，為實現(xiàn)我國的雙碳目標做出貢獻。
近些年，國內(nèi)有機光伏相關(guān)企業(yè)也逐漸走入大眾視野。
比如廣州追光科技有限公司(以下簡稱“追光科技”)，據(jù)稱，是國內(nèi)率先實現(xiàn)有機光伏材料批量生產(chǎn)能力的公司及全球單結(jié)有機光伏電池轉(zhuǎn)化效率的紀錄保持者。36氪一篇報道顯示，該公司于2023年剛完成數(shù)千萬元天使+輪融資，募集資金將用于有機光伏模組中試開發(fā)和中試線項目建設(shè)。
依托獨有的材料和器件研發(fā)平臺，追光科技同步開展有機光電材料和器件兩部分業(yè)務(wù)。
在材料業(yè)務(wù)上，公司在有機發(fā)光材料方面已實現(xiàn)量產(chǎn)出貨，在有機光伏材料的研發(fā)和放量生產(chǎn)方面也有進展。
在器件業(yè)務(wù)上，公司目前主推有機光伏模組的產(chǎn)業(yè)化，并在有機光電傳感等領(lǐng)域均有布局。
商業(yè)化方面，追光科技在去年擴建完成后，目前擁有月產(chǎn)噸級的有機光電材料供應(yīng)體系。依靠已經(jīng)建成的200*200 mm2光伏模組產(chǎn)品開發(fā)線，公司已推出第一代有機光伏模組DEMO，并開始客戶驗證。
預(yù)計今年，該公司會啟動有機光伏模組中試線的搭建，推進實現(xiàn)有機光伏模組的產(chǎn)業(yè)落地。目前公司已與多家下游廠商客戶簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議，未來有望在國內(nèi)率先實現(xiàn)有機光伏模組的批量出貨。
再比如廣州碳谷科技有限公司(以下簡稱“碳谷科技”)。
這是一家專注新一代OPV大尺寸量產(chǎn)的企業(yè)，為柔性和半透明應(yīng)用場景提供解決方案。
“鈣缽礦材料和器件”公眾號對于該公司描述的是：碳谷科技主做有機(OPV)光伏電池組件與裝備研發(fā)、生產(chǎn)與銷售。該公司其在低成本材料和大面積制備的新一代OPV組件量產(chǎn)方面實現(xiàn)了突破，大尺寸量產(chǎn)并不會造成轉(zhuǎn)換效率的耗損，打破了國外壟斷，實現(xiàn)關(guān)鍵原材料、設(shè)備和制程的國產(chǎn)化。
在光轉(zhuǎn)換率及尺寸面積方面，碳谷科技表示，其OPV光伏電池轉(zhuǎn)換效率連續(xù)兩年獲世界最高紀錄，室外轉(zhuǎn)化效率可達18%，室內(nèi)轉(zhuǎn)化效率可達25%-30%;柔性基材OPV組件幅寬達650mm，玻璃基材OPV產(chǎn)品尺寸可達1450mm*1800mm。
參考資料：
1. 112家光伏企業(yè)、7大排行榜!通威、隆基、晶科、特變、天合、晶澳、中環(huán)、陽光、正泰領(lǐng)銜，國際新能源網(wǎng)
2. Dracula sucks light out of dark – passive IoT will drive massive IoT, claims LoRa crowd，RCRWireless News
3. ‘The end of batteries’ – high-volume OPV-IoT smart factory to open in France，RCRWireless News
4. 中國有機光伏(OPV)行業(yè)：利用有機材料制造的太陽能電池技術(shù)，智研瞻產(chǎn)業(yè)研究院
5. 追光科技獲紅杉種子、國科京東方天使+輪融資，加速有機光伏技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，36氪
6. 一文帶你搞懂新能源發(fā)電、光伏、風(fēng)電(萬字深度研究)，華夏氣候
7. 有機太陽能電池(OPV)技術(shù)應(yīng)用解析，中國光伏網(wǎng)
8. 智能光伏試點示范企業(yè)典型案例介紹，中國電子報
9. 有機光伏進展，李騰飛、占肖衛(wèi)
