光伏幕墙：绿电与颜值完美结合！
文摘
科学
2023-11-12 08:00
北京
随着建筑双碳目标的快速推进，光伏已成为低零碳建筑的必备构件。光伏幕墙如何定义，太阳能电池发展趋势如何，建筑光伏应用形态有哪些？不妥之处敬请指正！光伏幕墙，顾名思义，是指带有光伏构件，能够将太阳能转换为电能的幕墙。与传统幕墙相比，光伏幕墙主要是将传统面板替换为光伏面板。光伏幕墙是建筑幕墙的一种，同样是由面板与支承结构体系组成，具有一定承载能力、变形能力、适应主体结构位移能力，不分担主体结构所受作用。从建筑功能角度，光伏幕墙可分为围护型幕墙、装饰型幕墙。围护型幕墙是分隔室内、外空间，具有外围护墙体结构完整功能的幕墙；装饰型幕墙是安装于墙体或结构上，按幕墙形式建造的装饰型幕墙。
从可透光角度，光伏幕墙又可分为透光光伏幕墙和非透光光伏幕墙。光伏幕墙的核心组件是太阳能电池，太阳能电池有哪些类别呢？从发电材料角度，太阳能电池可分为晶硅和薄膜两大类，晶硅类可分为单晶硅、多晶硅等，薄膜类可分为硅基薄膜、碲化镉、铜铟镓硒、钙钛矿等。单晶硅太阳电池，是由单晶硅圆棒经切割加工而成的电池片。单晶电池片一般都有圆角(或称为倒角)，其直径随着技术进步越来越小，提高了单晶硅棒利用率、电池和组件效率。多晶硅太阳电池由多晶硅锭切割而成。多晶硅锭一般采用定向凝固铸造生产，能耗较低、工艺简单。多晶硅电池没有倒角，是完全的正方形，这是单晶硅电池和多晶硅电池最容易识别的特征。硅基薄膜太阳能电池是一种以非晶硅化合物为基本组成的薄膜太阳能电池，按照材料不同，又可分为非晶硅(a-Si)薄膜太阳能电池、微晶硅(uc-Si)薄膜太阳能电池、纳米硅(nc-Si)薄膜太阳能电池。同晶体硅太阳能电池相比，硅基薄膜太阳能电池具有良好的弱光效应，价格低、制作简单，但转换效率较低。碲化镉(CdTe)薄膜太阳能电池，以p型CdTe和n型CdS的异质结为基础。由于有着较高的转换效率、低成本和高稳定性，碲化镉薄膜太阳能电池已成为薄膜太阳电池中发展较快的一类。铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池，由铜、铟、镓、硒4中元素作为功能层，同时在柔性衬底沉积其他功能层制备而成。与其它电池技术相比，铜铟镓硒具有转换效率高、生产成本低、污染小、无光衰、弱光性能好的特点，是各国争相研究的重点领域之一。钙钛矿薄膜太阳能电池，利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料，属于第三代太阳能电池，理论转换效率较高，是太阳能电池最重要的发展方向之一。以上是常见的太阳能电池材料，多种多样、各有特点，实际使用时需要制备成光伏组件。因而，光伏组件制备技术成为研究重点，不同技术路线前景也各不相同。晶硅电池技术以硅片为衬底，通过PN结进行光生载流子分离发电，根据原材料和电池制备技术又可分为P型电池和N型电池。P型硅片是在硅料中掺杂硼元素制成，电池制备技术有传统的AL-BSF(铝背场)和PERC技术。N型硅片是在硅材料中掺杂磷元素制成，制备技术包括PERC、TOPCon、IBC、HJT等。
单晶电池最早制备技术为Al-BSF(铝背场技术)，前些年已被PERC技术取代。PERC技术发展过程中，还出现过MWT、PERL、PERT、EWT等技术，但因性价比不高和PERC的规模化挤压，均未实现大规模量产。
目前公认可替代PERC的技术有TOPCon、HJT和IBC，其中N型IBC技术成本较高，现阶段无法与TOPCon和HJT技术竞争，因而目前最有可能替代PERC的是TOPCon和HJT技术。TOPCon和HJT技术路线之争也是一个热点，但由于TOPCon相对HJT率先解决了量产成本问题，所以发展更快一些；HJT尽管在效率上更进一步，但需要解决的问题也很多，比如设备成本、银浆消耗等。晶硅太阳能电池的理论转换效率为29.4%，目前超高效纯晶硅电池技术效率记录已突破27%，接近理论极限；叠层电池被认为是打破晶硅电池效率极限的路线之一，一般是在晶硅底电池上叠加薄膜光伏，如钙钛矿、铜铟镓硒、碲化镉、砷化镓等。薄膜电池是晶硅电池之外光伏电池技术的另一个重要分支，在玻璃或柔性基底上沉积若干层，构成PN结或PIN结的光伏器件。目前薄膜电池主要有硅基薄膜、铜铟镓硒(CIGS)、碲化镉(CdTe)、砷化镓(GaAs)、钙钛矿及有机薄膜等，总体上具有消耗材料少、生产时间短、制备能耗低、制造环节少、适配柔性组件、弱光效应好、重量轻等特点。硅基薄膜电池产品性能和生产成本上较晶硅电池无明显优势，并且技术提升空间有限，已逐步退出主流市场。
CIGS、CdTe电池理论转换效率均超过33%，实验室最高转换效率分别达到23.35%、22.1%，量产组件平均转换效率也分别达到或超过16%、18%。但由于原材料昂贵且储量不丰富，CIGS大规模应用的可能性受到限制；CdTe电池在特定BIPV场景有较好的应用，是目前主流的薄膜电池。GaAs电池具有高效率、耐高温、抗辐射、弱光性能好、轻质柔性等特点，但制造成本高，主要用于空间飞行器等特殊用途。有机薄膜电池制备工艺相对简单，受转换效较低的影响，近些年发展缓慢，效率提升有限。钙钛矿电池具备较高转换效率，单结理论转换效率可达33%，组件量产效率在2023年底有望达到18%，兼具原材料丰富、低成本、技术工艺相对简单、制造过程低碳环保、设备投资低等优势。钙钛矿电池一般应用于工商业屋顶、BIPV、大型地面电站、航天、户外应用、智慧交通等领域，有望成为晶硅之后的主流电池，发展方向为大型化和叠层技术。建筑光伏有两大类应用形式：光伏附着建筑(BAPV，Building Attached Photovoltaic)和光伏集成建筑(BIPV，Building Integrated Photovoltaic)。BAPV是指将光伏组件安装在建筑物上，形成建筑光伏系统；BIPV是指将光伏组件作为建筑结构的一部分，如用光伏组件代替屋顶瓦片或者与建筑幕墙相结合。建筑光伏应用形态根据建筑部位可分为：屋顶光伏、立面光伏、光伏遮阳和其它构件等。屋面BAPV光伏，是附着于建筑屋面的独立光伏系统。设计时主要考虑怎么摆放接收到的太阳光最多、发电量更好、更经济，不太重视建筑美观和协调。屋面BIPV光伏，将光伏构件作为建筑屋面装饰构件的一部分，既考虑了怎么摆放光伏阵列发电量最大，又兼顾了经济性和建筑体形，整体效果有了很大提升。与非透光的屋面BIPV项目不同，光伏采光顶采用的是透明光伏组件，在实现光伏发电的同时，实现了采光和装饰的良好效果。晶硅类光伏幕墙在建筑立面的应用形式很多，可充分发挥晶硅的颜色和质感，尤其是现在还出现了不同色系的晶硅组件，更加丰富了立面的应用。
立面光伏缺不了薄膜光伏的贡献，相比晶硅类产品在立面上效率较低，但良好的弱光性能、丰富的色彩和组件形式更能大显身手。
非透光立面光伏幕墙也是建筑光伏的重要形式，对组件的规格要求稍低，结构简单，性价比较高，北半球大部分地区东西南三面是较好的应用位置。
光伏遮阳构件，主要应用形式包括固定式垂直遮阳、固定式水平遮阳、可调节遮阳等。建筑师提前将光伏技术考虑进遮阳系统，投资者、使用者也更能接受，从业者需要考虑构件的多样化、定制化。建筑光伏的其它应用还有很多，比如建筑的雨篷、格栅、栏板等位置都有光伏的身影，一些停车棚、建筑雕塑等也可以与光伏技术结合。
光伏在建筑围护结构上应用形式多样，在产生绿色电力的同时，以其质感和多彩的颜色，丰富了建筑立面。光伏幕墙，是指带有光伏构件，能够将太阳能转换为电能的幕墙，可分为围护型光伏幕墙、装饰型光伏幕墙，又可分为透光光伏幕墙和非透光光伏幕墙。从发电材料角度，太阳能电池可分为晶硅和薄膜两大类，晶硅类可分为单晶硅、多晶硅等，薄膜类可分为硅基薄膜、碲化镉、铜铟镓硒、钙钛矿等。目前太阳能电池主流制备技术为PERC，未来发展方向为TOPCon、HJT、IBC和钙钛矿叠层电池技术。光伏幕墙根据建筑部位可分为屋顶光伏、立面光伏、光伏遮阳等，具体包括：平面屋顶光伏、斜面屋顶光伏、光伏采光顶、立面光伏幕墙、非透光立面光伏幕墙、光伏遮阳构件，其它构件等。光伏幕墙，绿电和颜值完美结合，助力我国建筑碳中和！
[1] 沈辉,徐建美,董娴. 晶体硅光伏组件[M]. 北京: 化学工业出版社, 2022.
[2] 梁方岭,赵永红. 光伏幕墙设计与施工[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2022.
