本文選自國家級期刊《中外能源》，《中外能源》是中央級科技期刊，于1996年創刊，主管單位：中國科學技術協會；主辦單位：中國能源研究會；出版單位：《中外能源》雜志社。國內刊號 CN11-5438/TK，國際刊號ISSN1673-579X，雙月刊，大16開(210mm×285mm)，每期112頁，全年6期，國內郵發代 號：80-674，國際郵發代號：BM4252。被中國期刊網、中國學術期刊、中文科技期刊數據庫、中國核心期刊(遴選）數據庫全文收錄。

　　摘要：本文對單晶硅、多晶硅、非晶硅三種硅成份的太陽能電池核心組件的原理、性能、應用等方面進行了系統的比較、分析，并對以上光伏組件在光伏建筑一體化（BIPV）中存在的問題進行了描述和總結。

　　關鍵詞：光伏建筑一體化,BIPV,單晶硅,多晶硅,非晶硅

　　一前言

　　隨著人類社會的發展，能源的消耗量越來越大，傳統石化能源價格不斷上漲并日漸枯竭。太陽能作為一種清潔能源，是一種幾乎不受地理位置限制，近乎取之不盡的能源。光伏建筑一體化BIPV（BuildingIntegratedPhotovoltaic），將光伏發電技術與傳統建筑相結合，既有效降低了建筑本身日益增長的采暖、空調等方面的能耗需求，又充分考慮到建筑本身采光、安全、美學等方面的要求，在國際、國內得到多方面的支持和越來越廣泛的應用。

　　二光伏建筑一體化（BIPV）

　　1.光伏發電的原理

　　光伏發電是利用光伏組件的光生伏特效應，將光能轉化為電能的一種技術，其核心元件為光伏電池。光伏電池是一種由光生伏特效應而將太陽光能直接轉化為電能的器件，當太陽光照到半導體光伏材料上時，光伏材料會把光能轉化為電能，產生一個較小的電壓（0.5-2V），當多個電池串聯或并聯起來就可以成為有較大輸出功率的太陽能光伏組件。

　　圖1展示了一個常見的離網式光伏發電系統：由多路串聯的光伏電池并聯后組成光伏陣列，產生220V直流電壓；220V直流電壓通過控制器、逆變器供給負載，或對蓄電池進行充電；在光伏陣列無法提供充足電能情況下（如夜間），控制器切換供電回路，由蓄電池對負載供電；另配備有雙路后備交流220V電源，分別在逆變器端和控制系統端，如遇長期陰雨天或光伏組件故障，同時蓄電池也無法提供充足電能，系統在逆變器端的后備220V交流電源能自行啟動，供給負載。

　　圖1光伏發電原理圖

　　2.BIPV需考慮的建筑因素

　　BIPV主要解決的是光伏系統在建筑中的應用，在進行BIPV建設過程中，需考慮與建筑本身相關的多項要素：

　　①機械性能

　　常規光伏玻璃的斷層結構由外層（晶硅為鋼化玻璃，非晶硅多為導電浮法玻璃）、中空層、電池片層、鋼化玻璃層組成，BIPV建筑中使用的光伏組件最終是作為建筑的一部分來體現的，整體組件的結構應該是均勻穩定的，并具有相應的機械性能。光伏玻璃組件要求具有一定的厚度和抗沖擊性能，應滿足IEC61215標準中抗130km/h(2400Pa)風壓和抗25mm直徑冰雹23m/s的沖擊的要求；光伏玻璃組件具有耐熱、耐寒、耐濕及一定抗風壓能力；光伏電池片層（晶硅或非晶硅）具有良好的粘結性、韌性和彈性，具有吸收沖擊的作用，即使玻璃破碎，碎片也會粘連在組件上，不會脫落四散，從而提高安全性。

　　②物理性能

　　光伏組件的光學性能主要由其本身的透光率決定，通過調整電池片的排布（晶硅）或電池薄膜的厚度（非晶硅）來調整透光率，以求達到不影響建筑物的外觀效果和建筑內部采光（光伏幕墻）的目的。

　　得益于光伏組件中的中空層，光伏組件具有良好的降噪、隔熱能力。

　　3.BIPV的實現形式

　　BIPV建筑物能為光伏組件提供足夠的面積，不需要另占土地，還能省去光伏組件的支撐結構，其實現形式也是多樣的，如平屋頂、斜屋頂、光伏幕墻（立面）等。

　　①平屋頂

　　直接在建筑物屋頂平面進行安裝，其安裝成本較低；可以根據常年光照情況決定安裝角度，具有最大發電量；但可能與一些安裝在室外的設備發生沖突，如空調室外機組。此種方式在國內BIPV建設中較為普遍，如武昌火車站候車大廳屋頂即采用此種方式。

　　②斜屋頂

　　用于具有傾斜屋頂的建筑，南向斜屋頂具有較好的經濟性；一般與建筑物原有功能不發生沖突。此種方式在歐洲較為普遍，多用于以家庭為單位的小型光伏發電系統。

　　③光伏幕墻

　　光伏幕墻除滿足光伏發電的功能外，同時要滿足幕墻所有的功能要求，包括透明度、力學、美學、安全等，組件成本較高，光伏發電性能偏低；要與建筑物同時設計、施工和安裝，光伏系統工程進度受建筑總體進度制約，施工成本較高；光伏幕墻的組件因考慮較大的透光效果，組件輸出功率偏低，發電成本高；但因其良好的外觀展示效果和環保概念，在國際、國內的應用范圍不斷擴大。如北京火車南站、武漢地鐵4號線控制中心等建筑部分幕墻均采用此種方式。

　　三光伏電池簡介

　　制造光伏電池的半導體材料有很多，如硅、硫化鎘、砷化鎵、銅銦硒等，但目前已得到商業應用的光伏電池主要是硅系列光伏電池，分為單晶硅光伏電池、多晶硅光伏電池和非晶硅光伏電池。

　　1.單晶硅光伏電池

　　單晶硅光伏電池的原料為純度99.9999%以上的單晶硅硅棒，將硅棒制成0.3mm厚的硅片，而后經過成型、拋磨、清洗等工序制成原料硅片，再在原料硅片中摻雜和擴散入硼、磷、銻等微量元素，形成具有光電效應的PN結，最后采用絲網印刷法制成光伏電池的單體片。單個單體片的電壓等級較小（0.5V左右），實際使用中需將多個單體片按照要求的規格、尺寸組成太陽能電池板，形成一定的輸出功率和電壓。在實際使用中，可根據需要，將光伏組件組成大小不同的太陽能電池方陣。

　　圖2單晶硅光伏組件

　　單晶硅光伏電池是開發較早、轉換率最高和產量較大的一種光伏電池，同時也是硅系列光伏電池中轉換效率最高的光伏電池。目前投入商業市場中的電池片轉換效率可達到15%左右，實驗室可達到20%以上，而用于外太空的太陽能電池板效率可達到50%以上。但是，單晶硅組件對硅棒的純度要求很高，其材料制造工藝復雜，成本較高；單晶硅光伏組件的整體透光率只能通過電池片之間的間隙調節，整體組件顏色、外觀不連續，同時若透光率過大，比如造成單體片面積減小，組件功率下降。

　　2.多晶硅光伏電池

　　由于單晶硅電池片存在成本較高、制造復雜等問題，在單晶硅光伏電池的基礎上出現了多晶硅電池。多晶硅大多是含有大量單晶顆粒的集合體，或用廢次單晶硅和冶金級硅材料熔化澆鑄而成，其對硅材料純度的要求大大降低，有效的降低了成本。多晶硅光伏電池片的制造工藝與單晶硅電池類似，但其硅錠可鑄成立方體，其切片可加工為方形，提高了電池片的利用率。

　　目前市場上的多晶硅光伏電池的轉換效率可達到12%以上。

　　圖3多晶硅光伏組件

　　3.非晶硅光伏電池

　　非晶硅光伏電池是1976年出現的新型薄膜式太陽電池，制作方法與晶體硅太陽能電池不同。最常用的輝光放電法，是在已經抽成真空的石英容器內注入氫氣或氬氣稀釋的硅烷，用射頻電源對硅烷加熱，使其形成等離子體，非晶硅薄膜就沉積在被加熱的襯底上。若硅烷中摻入適量氫化磷或氫化硼，即可得到N型或P型的非晶硅膜。

　　圖4非晶硅光伏幕墻

　　非晶硅光伏電池因其自身的薄膜特性，外觀一致性、連續性較好，通過外層浮法玻璃選擇，可以調節外觀顏色和透光率，尤其適用于大型幕墻建筑的安裝；非晶硅光伏組件的溫度系數只有晶硅組件的一半，換言之，其發電效率收到外界溫度的影響較小；具有良好的弱光效應，當光線減弱時，其發電效率受到的影響較晶硅組件小。

　　但是，非晶硅組件也存在缺點：非晶硅光伏電池的轉化效率比較低，目前投入市場的非晶硅組件轉化效率不到10%；對于BIPV來說，非晶硅光伏組件的尺寸只有1100*1300mm和1100*1400mm兩種，尺寸比較固定，且難于切割和拼接，建筑尺寸適應性較差；非晶硅光伏組件的外層為浮法玻璃，而晶硅組件外層為鋼化玻璃，所以非晶硅光伏組件的機械強度不如晶硅組件；此外，非晶硅光伏組件隨著使用年限的增加，其轉換效率的衰減較晶硅組件更加明顯。

　　四實際應用與存在的問題

　　整體上看，BIPV有節能高效、經濟環保等諸多優點，具有巨大的市場潛力。在國內，雖然現階段已在一些示范工程中得到應用，但成片使用BIPV技術的民宅社區并未出現，其應用范圍并不廣泛。這是因為光伏建筑一體化仍面臨需要解決的一些問題：造價過高，組件的生產制造成本有待降低；雖然目前有相關光伏并網的政策支持，但發電成本仍然較高，達到常規發電成本的2倍以上；光伏發電產生的功率不穩定，容易受天氣影響，也不能實現24小時的持續發電。上述問題均是在以后BIPV發展中需要面對和解決的問題。

　　在實際建設中，需結合所在地的氣候特點、建設需求和三種光伏電池的特點綜合考慮選用何種光伏組件，以求達到需求、費用兩方面的平衡。