薄膜光伏发展现状及建筑应用特性研究

薄膜光伏发展现状及建筑应用特性研究

王博渊 1 ，孙峙峰 1 ，王珊珊 2 ，王 萌 3 ，张博宇 1 ，张昕宇 1*

(1. 中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013；2. 住房和城乡建设部科技与产业化发展中心，北京 100835；3. 落基山研究所，北京 100020)

摘　要：光伏利用是建筑领域实现“双碳”目标的必要途径，薄膜太阳电池技术作为多部委重点推动的技术路线，对其发展现状、建筑应用特征及产能特性开展了研究。研究结果表明：近年来，全球薄膜光伏组件 3 年间的年产量增长率超过 40%，国产 CdTe 与 CIGS 光伏组件量产的平均组件效率分别达 15.8% 和 16.5%。薄膜光伏组件适用于弯曲、倾斜等复杂表面，可制成夹胶玻璃、彩色图案、透光幕墙，建筑适应性良好；其光谱响应范围宽，光电阈值低，可在弱光条件下持续发电。经实测，单晶硅光伏组件的单位装机面积年发电量比薄膜光伏组件的高 19.6%，适用于屋顶空间有限、追求最大化发电量的场景；而薄膜光伏组件的年发电小时数比单晶硅光伏组件的高 21.6%，在建筑表面装机空间充足时，相同装机容量下其整体发电性能更优。薄膜光伏组件的日有效发电时间长于单晶硅光伏组件，且发电曲线平稳，在低太阳辐照工况下展现出更强的发电可持续性。

关键词：节能减排；建筑光伏系统；薄膜光伏组件；产能；模拟；测试

中图分类号：TM615　文献标志码：A

　　建筑领域节能降碳是实现中国碳达峰、碳中和目标的关键环节 [1]。光伏系统易于与建筑屋面、立面、幕墙结合，是助力建筑能源低碳化的重要技术形式 [2]。相关光电建筑实践案例表明，高比例光伏应用对于推进建筑领域节能降碳至关重要 [3]。“十四五”期间，城乡建设领域多项政策、标准均强调要大力发展建筑光伏系统。例如：住房和城乡建设部、国家发展改革委发布的《城乡建设领域碳达峰实施方案》中指出，应推进建筑太阳能光伏一体化建设，并给出了光伏覆盖率的推荐指标；GB 55015—2021《建筑节能与可再生能源利用通用规范》中要求，新建建筑应安装太阳能系统且应实现全年综合利用。

　　在众多光伏发电技术中，薄膜光伏发电技术作为第 2 代光伏发电技术，凭借其独特优势，正逐步成为建筑光伏系统的重要技术路线。薄膜光伏组件利用薄膜材料作为光电转换器，并将其应用在玻璃、塑料或金属基板上，从而实现高效发电，具有制备成本低、温度系数低和弱光性能优异等优势 [4]，在建筑的复杂表面及构件中应用具有良好的适应性。近年来，薄膜光伏发电技术发展迅速，已由实验室研究转向规模化工业生产和商业化应用[5]。国家发展改革委、住房和城乡建设部在《加快推动建筑领域节能降碳工作方案》中提出，要支持钙钛矿 (PSCs)、碲化镉 (CdTe) 等薄膜太阳电池技术装备在建筑领域的应用，为薄膜光伏发电技术的应用和推广擘画蓝图。

　　当前，中国薄膜光伏发电技术和产业不断进步，示范效益日渐显著，受到建筑行业的广泛关注，但建筑设计、施工及运维人员仍然对该技术缺乏深入了解。基于此，本文对薄膜光伏发电技术原理和发展历程进行简述，总结国内外产业发展现状，并通过仿真分析和案例实测，分析其在建筑应用场景下的发电性能和主要特征，最终针对当前存在的问题提出发展建议。

1 技术原理和发展历程

1.1 技术原理

　　薄膜太阳电池是薄膜光伏发电技术的核心，是指在玻璃或柔性基底上沉积并构成 p-n 结的半导体薄膜光伏器件 [6]。按照光吸收层材料的不同，薄膜太阳电池可分为硅基、CdTe、铜铟镓硒(CIGS)、砷化镓 (GaAs) 及 PSCs 等类型。目前，在建筑领域中应用较多的是 CdTe 薄膜太阳电池和 CIGS 薄膜太阳电池。

　　以典型的 CdTe 薄膜太阳电池为例，其基本结构示意图如图 1 所示。太阳光穿过导电玻璃并被硫化镉 (CdS) 薄膜 ( 即 CdS 窗口层 ) 和 CdTe薄膜 ( 即 CdTe 吸收层 ) 吸收，CdTe 薄膜吸收光子后释放电子 - 空穴对，电子被背电极收集然后传导出太阳电池，从而产生电流。

1.2 发展历程

　　CdTe 薄膜太阳电池的发展历程可追溯到20世纪60 年代。1963年，世界上第1块CdTe薄膜太阳电池由美国无线电公司实验室在CdTe单晶上镀铟的合金制得，其光电转换效率为2.1%[7]。1982年，美国伊士曼•柯达公司实验室用化学沉积法在p型CdTe上制备了1 层超薄的CdS，从而制备出光电转换效率超过10%的异质结p-CdTe/n-CdS 薄膜太阳电池，成为现阶段CdTe 薄膜太阳电池的原型。2001年，美国国家可再生能源实验室(NREL) 吴选之团队使用CdSnO4/ZnSnO4复合薄膜层作为前电极，将此类太阳电池的光电转换效率提升至16.7%并保持纪录多年；直至2011年，美国First Solar公司制备出光电转换效率为17.3%的CdTe薄膜太阳电池，打破了此前的纪录[8]。近年来，随着采用宽禁带材料作为窗口层，CdTe薄膜太阳电池的光电转换效率纪录不断刷新，最高已达到22.6%(该数据截至2024年4月)，由FirstSolar公司创造 [9]。

　　CIGS 薄膜太阳电池的研究始于20 世纪60～70 年代初期。1974年，美国贝尔实验室制备出首块铜铟硒(CIS) 薄膜太阳电池；1976年，美国缅因大学采用CIS/CdS作为异质结，制备出光电转换效率为5.8%的CIS 薄膜太阳电池；1982年，美国波音公司采用两步共蒸发法将此类太阳电池的光电转换效率提升至10.5%，自此，CIS 薄膜太阳电池开始展现其应用价值。1987年，美国波音公司在CIS薄膜中掺入Ga 取代部分In，将吸收层带隙提高到1.1～1.2 eV，使其与太阳光谱更匹配。1994 年，NREL 的研究团队使用3步共蒸发法实现了CIGS薄膜双梯度带隙结构，并在随后的10年间持续刷新CIGS 薄膜太阳电池的光电转换效率纪录。近年来，柔性衬底太阳电池技术不断发展，2011年，瑞士联邦材料科学与技术实验室在聚酰亚胺上低温沉积CIGS薄膜，将CIGS薄膜太阳电池的光电转换效率提升至18.7%[10]。截至2024年4 月，CIGS薄膜太阳电池的最高光电转换效率为23.6%，由瑞典依沃拉公司和乌普萨拉大学联合研发创造 [9]。

2 国内外产业发展现状

2.1 全球市场规模

　　2012—2022 年全球薄膜光伏组件的年产量情况如图2[11]所示。薄膜光伏组件的全球产量基本呈现持续稳步提升的趋势，尤其是在2020—2022年间，伴随小规模、分布式光伏的发展，其3年间的年产量增长率超过40%。2022年全球薄膜光伏组件年产量达到9.2 GW，较2021年同比增长10.3%，其中，CdTe薄膜光伏组件达到9.18 GW，占比为99.8%；其余主要是CIGS薄膜光伏组件，全球年产量约为 0.03 GW。

从 2012—2022 年薄膜光伏组件的全球市场占有率情况来看 ( 见图 3[11])，由于研发和制造薄膜光伏组件的国家较少，且具备生产能力的企业有限，薄膜光伏组件的全球年产量增长幅度仍然滞后于晶硅光伏组件，其全球市场占有率仍然呈现下滑趋势，2022 年该值为 3.1%，较 2021 年同比下降 0.7%[11]。

中国薄膜光伏组件产业起步相对较晚，但作为新兴产业，其发展势头迅猛。2022 年，中国 CdTe 和 CIGS 薄膜光伏组件的年产量分别约为 80 MW 和 30 MW[11]。从装机场景差异来看，国外薄膜光伏组件的主要应用场景为地面光伏电站，国内则基本以建筑光伏项目为主。

2.2 国外的产业化现状

　　薄膜光伏组件的生产工艺技术壁垒高且资金投入大，全球产业主要由美国 First Solar公司主导。该公司成立于1999年，总部位于美国亚利桑那州，在美国、印度、马来西亚和越南设有工厂，致力于提供CdTe 薄膜光伏组件及系统解决方案，在国际市场上占据重要地位。根据该公司官方发布的数据，2022年该公司CdTe薄膜光伏组件的产能达9.8 GW，其中美国和印度工厂的累计产能占比达到93%；实际年产量为9.1 GW，较上年同比增长15%。2024年该公司的CdTe薄膜光伏组件产能将继续高速增长，预计随后年增长率将稳定在3%～5% 之间。

　　当前，美国 First Solar公司在售的CdTe薄膜光伏组件主要是Series 6和Series 7两个系列。在标准测试条件(STC) 下，Series 6光伏组件量产的平均峰值功率为480 W，组件效率约为19.0%[12] ；Series 7光伏组件则采用更大的外形尺寸和新型背轨安装系统，量产平均峰值功率为540 W，组件效率达19.3%[12]。上述光伏组件主要应用于地面光伏电站，单块光伏组件发电功率较大，有利于提升光伏电站的建设效率。2024年，该公司大范围启动Series 7光伏组件的生产，其整体产能增幅将高于Series 6光伏组件，预计2025年其产能占比将超过 50%。

2.3 中国的产业化现状

　　近年来，受以建筑为场景的分布式光伏发展政策的影响，中国在光伏组件技术、生产工艺和性能质量方面取得了显著进展。截至目前，中国薄膜太阳电池的实验室最高光电转换效率，以及薄膜光伏组件量产的最高和平均组件效率分别如表 1[13]、表 2[13] 所示。

在产业化方面，中国涌现了一批具有代表性的薄膜光伏组件制造企业，在国际市场具有一定竞争优势，比如龙焱能源科技 (杭州) 股份有限公司成立于2008年，通过推动自主研发，已拥有3条CdTe薄膜光伏组件(尺寸为1200 mm×600 mm)全自动化生产线，总产能超过150MW，另外龙焱能源的超大面积碲化镉薄膜光伏组件将在2025年下半年商业化量产。该公司生产的小面积CdTe薄膜太阳电池的实验室光电转换效率已达到20.7%；标准尺寸的CdTe薄膜光伏组件峰值功率量产最高可达123W，组件效率达17.4%；产品已在北京世园会中国馆、大同未来能源馆、嘉兴火车站、广州美术馆等项目中使用。

3 薄膜光伏发电技术的建筑应用

3.1 应用形式及特征

　　建筑光伏项目较传统地面光伏电站具有更复杂的技术要求。从节能降碳角度而言，建筑光伏项目更侧重于在高容积率、紧凑空间、被动遮挡条件下的空间布局 [2]，因此要求光伏组件具备一定的可持续发电能力。薄膜光伏组件的光谱响应范围宽，能够有效吸收可见光和部分红外光；同时，薄膜光伏组件通常具有较低的光电阈值，可以在较低的太阳辐照下产生电能，因此在清晨、傍晚、阴雨天或受遮挡 ( 见图 4) 的弱光环境下仍能够启动发电，且发电性能衰减较小，弥补了其组件效率相对较低的不足。薄膜光伏组件凭借上述优势，在密集排布的建筑场景中具备显著的应用优势。

从适用性角度而言，薄膜光伏组件相对轻薄、灵活，可以做成柔性光伏组件，可适应弯曲、倾斜的复杂表面；其还可以定制为中空夹胶、真空夹胶、彩色图案、仿石材、仿铝材等光伏建材，其颜色、图案、外形等均可定制。同时，薄膜光伏组件基于玻璃基板的构造形式，衍生出可透光且与玻璃幕墙一体成型的新型产品，其透光性能来源于发电薄膜栅格间可供自然光透过的间隙，通过调节间隙的宽度、形状来定制透光性能，从而在发电的同时保证建筑的采光需求。薄膜光伏组件在建筑中良好的适配性，可满足建筑师对光伏建筑一体化的要求 [14]，其各种应用形式如图 5 所示。

3.2 发电性能比对分析

　　为对比各种光伏组件的发电性能，选取具有代表性的 CdTe 薄膜光伏组件、单晶硅光伏组件和多晶硅光伏组件开展定量计算。各类光伏组件的主要参数如表 3 所示。

从表 3 可以看出：CdTe 薄膜光伏组件的单块尺寸、峰值功率偏小，其单位面积峰值功率为 151.0 W/m2 ，相比于单晶硅光伏组件 (222.6W/m2 ) 和多晶硅光伏组件 (174.1 W/m2 ) 分别低32.1% 和 13.3%。而 CdTe 薄膜光伏组件的工作电压为 137.20 V，是晶硅光伏组件的 3～4 倍，工作电流则相对较小，因此薄膜光伏系统一般采取“多并少串”的方式，适配薄膜光伏系统的电力电子设备应考虑其高电压、低电流的工作特性。

　　以北京市的应用场景为例，采用 TRNSYS软件模拟光伏组件的发电性能，光伏组件安装位置分别考虑建筑光伏项目常用的屋面(包括水平面和正南朝向30°倾角 )和外立面(包括正南、正西、正东朝向90°倾角 )；光伏组件计算模型选择Type103，光伏系统效率(PR)设为0.87，以单位装机面积年发电量、单位装机功率年发电量(即年发电小时数)为对比指标，各类光伏组件的计算结果如图6 所示。

　　光伏组件的发电量与其表面接收太阳总辐照量的变化趋势一致。从图 6 可以看出：在北京市的应用场景下，无论采用哪种光伏组件，应用的优先级顺序均为“屋面 > 南立面 > 西立面 > 东立面”。

单位装机面积年发电量是建筑行业广泛关注的重要指标，其反映了有效装机空间下的光伏发电潜力。在屋面的水平面及正南朝向 30°倾角安装条件下，CdTe 薄膜光伏组件的单位装机面积年发电量分别为 208 kWh/m2 和 239 kWh/m2 ，低于单晶硅光伏组件，但相较于多晶硅光伏组件则分别高出 11% 和 8%。对于上述两种屋面安装方式，由于水平面安装光伏组件接收的太阳辐照量相对较低，其发电能力也受到影响。相比之下，单晶硅光伏组件在两种安装方式下的单位装机面积年发电量相差 17.5%，而 CdTe 薄膜光伏组件的仅相差 13.0%。总体来看，由于单晶硅光伏组件的单位装机面积年发电量更高，因此在屋顶装机空间有限、太阳辐照资源较好，且以最大化发电量为首要目标时，单晶硅光伏组件更具优势。

　　年发电小时数则是受到光伏行业普遍关注的重要指标，其反映了相同装机容量条件下的不同类型光伏系统呈现出的发电性能差异。CdTe 薄膜光伏组件在水平面、南立面安装条件下的年发电小时数分别达到了 1377 h 和 1082 h，在正南朝向 30° 倾角安装条件下甚至达到了 1582 h；相比之下，单晶硅光伏组件的年发电小时数仅在正南朝向30°倾角安装条件下超过了1000 h，达到 1165 h。因此，在相同装机容量下，相较于单晶硅光伏组件，CdTe 薄膜光伏组件具有更高的发电量，但其存在占用建筑外表面空间较大的缺点，即在建筑表面装机空间充足、以追求可持续发电为目标时，CdTe 薄膜光伏组件的发电性能更佳。

4 典型案例实测分析

　　本文以中国建筑科学研究院有限公司的某光电建筑项目为例，对薄膜光伏组件的发电性能进行测试分析。

　　该项目位于北京市，建筑面积为 2850 m2 ，类型为办公建筑，光伏系统的总装机容量为221.6 kW。其中：单晶硅光伏系统的装机容量为100.8 kW，占比为 45.5%，均安装在屋面 ( 正南朝向 5° 倾角 )；CdTe 薄膜光伏系统的装机容量为 120.8 kW，占比为 54.5%，分别安装在屋面 ( 包括水平面和正南朝向 5° 倾角 )、南立面、西立面和东立面，各安装位置的装机容量分别为 69.3、33.5、7.0、11.0 kW，立面上安装的光伏阵列会一定程度上受到周边建筑和树木的遮挡影响。该项目的光伏组件布局示意图及各安装位置的装机容量占比如图 7 所示。

　从图 8 可以看出：该项目中，与单晶硅光伏系统相比，CdTe 薄膜光伏系统的有效发电时间更长、起始发电时刻更早，且清晨、傍晚时刻的发电量普遍更高；同时，CdTe 薄膜光伏系统全天的发电波动曲线更贴合建筑用电曲线的变化，对于此类办公建筑昼间负荷波动稳定、夜间基本无负荷的用电特性而言，CdTe薄膜光伏发电更加“柔和”，有利于实现光伏发电量的本地消纳，从而减少因光伏发电无法自用而对电网造成的冲击。根据累计数据，CdTe薄膜光伏系统、单晶硅光伏系统的日发电量分别为485 kWh和551kWh，CdTe薄膜光伏系统的发电量在整个光伏系统总发电量中的占比为46.8%，结合其装机容量的占比(为54.5%，且其中43.0%安装在存在遮挡情况的立面) 来看，其发电量与单晶硅光伏系统的基本相当，体现出了良好的发电收益。其次分析该项目的长时间发电性能。选取2022年1月连续10天的日太阳辐照量及不同类型光伏系统发电量占比的监测数据进行统计，如图 9 所示。

从图9可以看出：1月17—24日，水平面日太阳辐照量从3.5 kWh/m2持续下降至0.5kWh/m2，此时屋面、立面的CdTe薄膜光伏系统的发电量占比均不断提升，整个CdTe薄膜光伏系统的发电量占比从50%提升至70%。1月24日后，天气转晴，太阳辐照量增大，单晶硅光伏系统的发电量占比再次提升，由此侧面体现出低太阳辐照量工况下CdTe薄膜光伏组件的产能潜力。从太阳辐照量为0.5～0.7 kWh/m2的区间范围来看，立面CdTe薄膜光伏系统的装机容量虽然仅为51.5 kW，是屋面单晶硅光伏系统装机容量(100.8 kW)的一半，但其发电量基本与屋面单晶硅光伏系统的发电量持平。因此，相比于单晶硅光伏系统在太阳辐照量充足时的发电优势，薄膜光伏系统在低太阳辐照量工况下的发电能力更可持续。从全年性能来看，统计相同安装条件(屋面正南朝向5°倾角)下CdTe 薄膜光伏系统和单晶硅光伏系统的发电数据。2022年，二者的单位装机面积年发电量分别为182.9 kWh/m2和218.7kWh/m2，单晶硅光伏系统比CdTe薄膜光伏系统高19.6%；而二者的年发电小时数分别为1316.9h和1082.6 h，CdTe薄膜光伏系统比单晶硅光伏系统高 21.6%。实测数据验证了上述模拟计算的结论，在北京市的太阳辐照资源下，单晶硅光伏组件的发电效率更高，但在长期运行工况下薄膜光伏组件具有更优异的发电稳定性。

5 存在问题及发展建议

　　根据测试和调研，针对薄膜光伏在建筑领域的应用现状，总结当前存在的问题，主要包括：

　　1) 政策支持力度仍需加强，推广政策、标准规范及建筑行业适用的认证体系有待完善，产业发展“临界点”亟待突破；

　　2) 亟待研发发电性能更优、外观形式多样、适应不同安装场景的薄膜光伏组件，同时提升其生产工艺；

　　3) 建筑光伏项目开发建设的积极性仍需调动，需进一步挖掘其潜在的经济、社会价值，且市场监管力度、模式仍有待加强和探索。

针对上述问题，提出以下发展建议：

　　1) 借鉴单晶硅光伏产业、新能源汽车产业的发展经验，制定支持性政策，助力产业突破发展瓶颈；完善建筑光伏标准体系，与时俱进修订已有标准，编制针对性强、满足工程建设需要的标准图集，有效指导和规范市场应用；加强行业宣传、技术培训、人才引进，为推动可持续发展提供制度性保障。

　　2) 加强技术研发和创新投入，提高薄膜光伏组件的可靠性、光电转换效率等核心性能指标，降低其生产成本，力争达到国际领先水平；丰富产品的外观色彩、尺寸规格和适用场景，为建筑设计师提供多样化产品选择；挖掘耦合围护结构的光伏发电及伴随发热的作用机理，为薄膜光伏组件的规模化推广应用提供产品和技术性支撑。

　　3) 拓宽固有商业模式，领跑“建筑 + 光伏”赛道，鼓励薄膜光伏组件在新建和既有建筑上应用，将薄膜光伏组件与建筑美学相融合，以满足建筑创作的语言表达需求，为建筑行业拓展市场增量；同时满足低碳发展需求，建议在项目早期将建筑光伏纳入建设范畴，推动其从标杆性示范工程走向规模化市场发展。

6 结论

　　薄膜太阳电池技术装备是多部委加快推动建筑节能降碳的推荐项目，近年来薄膜光伏发电技术不断进步，薄膜光伏建筑应用示范效益日渐显著。在此背景下，本文简述了薄膜光伏的技术原理和发展历程，总结了其国内外产业发展现状，并通过计算和实测，分析了其建筑应用形式、特征及发电性能，最终针对当前存在的问题提出了发展建议。得出以下结论：

　　1) 近年来伴随小规模、分布式场景建设需求的提升，2020—2022 年全球薄膜光伏组件的 3年间年产量增长率超过 40%。薄膜光伏组件的组件效率持续刷新，国产化 CdTe 薄膜光伏组件的量产最高组件效率达到 17.3%，平均组件效率为15.8%；玻璃基 CIGS 光伏组件的量产最高组件效率达到 17.6%，平均组件效率为 16.5%。

　　2) 薄膜光伏组件可以适应弯曲、倾斜的复杂表面，可以定制成中空夹胶、真空夹胶、彩色图案、仿建材等形式，还可以制成透光型光伏幕墙；其光谱响应范围宽，光电阈值较低，在弱光环境下也可发电。因此，薄膜光伏组件的建筑应用可定制化程度及多工况适应性良好。

　　3) 实测得到单晶硅光伏组件的单位装机面积年发电量更高，在屋顶装机空间有限、太阳辐照资源较优，且以最大化发电量为首要目标时，单晶硅光伏组件更具优势；薄膜光伏组件的单位装机容量年发电量 ( 即年发电小时数 ) 更高，在建筑表面装机空间充足时，相同装机容量的薄膜光伏系统的发电性能更加优异。

　　4) 实测薄膜光伏组件的有效发电时间长于单晶硅光伏组件，一定程度上弥补了其组件效率较低的不足；同时其发电曲线平稳，与办公建筑的用电波动规律契合；当日太阳辐照量下降时，薄膜光伏组件的日发电量占比相较于单晶硅光伏组件显著提升，表明薄膜光伏组件在低太阳辐照工况下的发电能力更具可持续性。

　　5) 中国薄膜光伏产业化进程起步晚，建议进一步完善推广政策、标准规范及认证体系，提高发电性能优、外观形式多样、可适应不同场景的光伏组件研发能力，积极宣贯先进案例，充分调动建筑行业应用光伏发电的积极性，挖掘其潜在的经济社会价值，同时还需加强其市场监管力度和模式探索，以助力薄膜光伏产业的规模化发展。

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