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晶体硅与薄膜太阳电池多维度对比分析

2024-10-31 0 上传者：管理员

摘要：光伏发电作为中国可再生能源体系中不可或缺的一部分，对中国实现能源体系转型及“双碳”目标具有重要意义，不同的光伏发电技术使中国光伏产业发展方向变得更加多样化。从原材料储量及制备工艺、光电转换效率、成本、应用场景等方面对晶体硅和薄膜太阳电池进行对比，并对两种太阳电池的应用前景进行了分析与展望。分析发现：晶体硅太阳电池具有较高的光电转换效率及较低的单瓦建设成本；而薄膜太阳电池的技术成熟度仍需进一步提高，包括光电转换效率的提升与单瓦建设成本的下降。

关键词：
光电建筑一体化
晶体硅太阳电池
碲化镉
薄膜太阳电池
铜铟镓硒
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太阳能发电是目前应用最广泛的可再生能源发电技术之一。截至2023年，中国各类能源的装机容量的占比如图1所示。由图1可知：截至2023年，中国太阳能发电的装机容量占中国各类能源总装机容量的比例已超过20%，其在中国的能源体系中扮演着相当重要的角色。而在太阳能发电中，光伏发电一直占据着主要位置。大力发展光伏发电也是中国实现“双碳”目标的重要路径之一，为实现碳达峰目标，到2030年中国光伏发电累计装机容量应达到11.7～13.2亿kW[1]。截至2023年，中国光伏发电累计装机容量为6.09亿kW，距离上述目标仍有5～7亿kW的差距。因此，未来中国光伏发电仍需继续高质量发展、持续扩大装机规模，为中国顺利实现“双碳”目标提供有力帮助。

光伏组件是光伏发电的主要设备，太阳电池是光伏组件的主要发电部件。根据原材料及制备工艺不同，目前太阳电池主要分为晶体硅太阳电池和薄膜太阳电池。本文从原材料储量及制备工艺、光电转换效率、成本、应用场景4个方面对晶体硅和薄膜太阳电池进行对比，并对两种太阳电池的应用前景进行分析与展望。

图1 截至2023年中国各类能源的装机容量占比

1、晶体硅与薄膜太阳电池的多维度对比

1.1 原材料储量及制备工艺对比

目前，根据原材料不同，晶体硅太阳电池可分为多晶硅太阳电池与单晶硅太阳电池；其中，根据掺杂工艺不同，单晶硅太阳电池还可分为p型单晶硅太阳电池与n型单晶硅太阳电池。根据原材料不同，薄膜太阳电池可分为铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳电池、碲化镉(CdTe)薄膜太阳电池、砷化镓(GaAs)薄膜太阳电池。太阳电池主要分类情况如图2所示。

图2 太阳电池分类情况

在中国，晶体硅太阳电池的原材料储量远高于薄膜太阳电池的原材料储量。晶体硅太阳电池的主要原材料为硅，根据中国自然资源部公布的信息，截至2022年，中国冶金用石英岩矿石的储量达33641.95万t，表明原材料储量较为丰富；这些储量主要分布在江西省、安徽省、海南省等省份。此外，随着制备工艺的升级，晶体硅太阳电池制备过程中的许多关键材料已可以被替换，目前已无需任何稀有或稀缺物质[2]。对于薄膜太阳电池而言，根据类型不同，其所需的原材料也有所不同，但基本是以稀有金属作为原材料。2022年中国的薄膜太阳电池用稀有金属的储量如表1所示，可以看出：与晶体硅太阳电池的原材料储量相比，薄膜太阳电池的原材料储量较少。

晶体硅太阳电池的制备工序较为复杂，其中，硅棒、硅片的制备环节对技术的要求较高，且原材料提取成本也使此类太阳电池的制备成本较高。相较于晶体硅太阳电池，CIGS薄膜太阳电池的工序更简单、能耗更低[3];CdTe薄膜太阳电池作为目前产业化最成功的薄膜太阳电池，其制备工艺较为简单[4]。不同于CIGS薄膜太阳电池和CdTe薄膜太阳电池，GaAs薄膜太阳电池的制备技术复杂、成本高、原材料开采难度较大。由于薄膜太阳电池的成膜工艺具有连贯性，使其可全自动化生产，从而可大幅降低薄膜光伏组件的成本[5]。

表1 2022年中国的薄膜太阳电池用稀有金属的储量

1.2 光电转换效率对比

太阳电池的光电转换效率是衡量其发电性能和项目经济效益的重要指标，高光电转换效率代表着高单位面积输出功率、低单位能源生产成本。光电转换效率直接关系着太阳电池的市场竞争力，在太阳电池的研发过程中，需考虑的一个关键问题就是如何以最低的生产成本使太阳电池实现最高的光电转换效率[6]。

2018—2023年不同类型晶体硅太阳电池的光电转换效率变化情况如图3所示。

图3 2018—2023年不同类型晶体硅太阳电池的光电转换效率变化情况

由图3可知：总体而言，无论是单晶硅太阳电池，还是多晶硅太阳电池，在过去6年(2018—2023年)间，其光电转换效率一直在持续提升。但相比之下，p型多晶黑硅太阳电池与p型单晶硅太阳电池的光电转换效率提升较少，6年间仅分别提升了1.1%和1.6%；而n型TOPCon单晶硅太阳电池的光电转换效率提升幅度较多，6年间提升了3.5%，于2023年达到了25%左右。值得注意的是，晶体硅太阳电池的理论最高光电转换效率为29%[2]，截至2023年，量产晶体硅太阳电池的光电转换效率约为25%，因此，未来晶体硅太阳电池的光电转换效率提升空间约为4%。

2018—2023年不同类型薄膜太阳电池的光电转换效率变化情况如图4所示。

图4 2018—2023年不同类型薄膜太阳电池的光电转换效率变化情况

由图4可知：6年间薄膜太阳电池的光电转换效率并未稳定提升，提升最多的为GaAs薄膜太阳电池，提升幅度约为2.4%;CdTe薄膜太阳电池的光电转换效率提升趋势较为稳定，呈逐步上升趋势，其2023年时的光电转换效率比2018年时提升了1.8%，达到15.8%;CIGS薄膜太阳电池在2023年的光电转换效率甚至低于2018年的值，降低了0.2%。

需要说明的是，虽然GaAs薄膜太阳电池的光电转换效率较高，但由于其制备工艺的独特性，目前针对此类太阳电池开发的研发机构较少，且此类太阳电池产品几乎不用于民用，因此，下文不对其进行比较。

综上可知，薄膜太阳电池的光电转换效率普遍低于晶体硅太阳电池的光电转换效率，截至2023年，晶体硅太阳电池的光电转换效率比薄膜太阳电池的最多可提高50%。但值得注意的是，薄膜太阳电池的理论光电转换效率并不低于晶体硅太阳电池的理论光电转换效率，其中，CdTe薄膜太阳电池的理论最高光电转换效率为28%,CIGS薄膜太阳电池的理论最高光电转换效率更是高达33.4%[7]。因此，相比于晶体硅太阳电池，薄膜太阳电池具有更大的发展潜力，未来有可能追平甚至超越晶体硅太阳电池的光电转换效率。

1.3 成本对比

本研究收集了2022—2023年光伏市场中工程总承包(EPC)光伏发电项目采用的主要光伏组件类型的中标价格，然后分析得到采用不同类型太阳电池时EPC光伏发电项目的单瓦建设成本，具体如图5所示。

图5 采用不同类型太阳电池时EPC光伏发电项目的单瓦建设成本箱形图

由图5可知：采用晶体硅太阳电池时，EPC光伏发电项目的单瓦建设成本中位数约为3元/W；采用CdTe薄膜太阳电池时，其单瓦建设成本的中位数最高，为4.5元/W。采用CIGS薄膜太阳电池时，其单瓦建设成本中位数为4.1元/W；采用CdTe和CIGS薄膜太阳电池时，EPC光伏发电项目的建设成本均至少比其采用晶体硅太阳电池时高45%。

此外，通过分析多个EPC光伏发电项目的建设成本可以发现：采用晶体硅太阳电池的不同项目之间的建设成本相差较小，建设成本较为稳定，具有参考性；而采用CdTe薄膜太阳电池或采用CIGS薄膜太阳电池的不同项目之间的建设成本相差较大，单瓦建设成本差距在1.3元/W以上，因此，采用薄膜太阳电池的EPC光伏发电项目的建设成本相对较高且波动较大。

虽然大多数薄膜太阳电池的制备成本低于晶体硅太阳电池的值，但在应用阶段，由于薄膜光伏组件通常用于建筑物的屋顶或立面，导致衡量薄膜太阳电池建设成本时需考虑建筑物的加固、翻新等的项目成本，这也是薄膜太阳电池的建设成本高于晶体硅太阳电池的主要原因。此外，不同建筑物对于翻新或加固的要求不同，这也是薄膜太阳电池建设成本波动范围较大的原因之一。

1.4 应用场景对比

根据建设形式不同，光伏电站主要分为集中式光伏电站和分布式光伏电站。集中式光伏电站的装机规模较大，主要建设在中国西北地区的荒地、戈壁、草原等太阳能资源丰富、土地充足的地区，且此类光伏电站通常采用晶体硅光伏组件，实景如图6所示。

图6 采用晶体硅光伏组件的某集中式光伏电站实景

分布式光伏电站的装机规模相对较小，可建设在人口较为密集的城市、乡村等地区。光伏建筑一体化(BIPV)作为分布式光伏电站的一种主要应用形式，通常采用薄膜光伏组件且安装于建筑屋顶或立面，实景如图7所示。

图7 采用薄膜光伏组件的某BIPV建筑实景

由于晶体硅太阳电池具有生产工艺成熟、光电转换效率较高等优势，采用此类太阳电池的光伏组件目前已广泛应用于集中式光伏电站，且其在分布式光伏电站中也有一定程度的应用，通常安装在厂房、农村建筑等的屋顶。2021年，全球采用晶体硅光伏组件建成的光伏发电项目的装机容量占全球光伏发电项目总装机容量的80%以上，并拥有超过90%的市场份额[6]。

目前，采用薄膜太阳电池的光伏组件主要应用于BIPV建筑中。薄膜光伏组件具有轻薄、颜色可定制、透光率高等特点，可直接作为建筑的一部分。姚金楠[8]指出，薄膜光伏组件具有很好的弱光性，更适合安装于建筑物立面。当光伏组件安装于屋顶、幕墙、窗户等位置时，相比于晶体硅光伏组件，薄膜光伏组件可与建筑进行高度结合。使用薄膜光伏组件代替传统建筑屋面或立面上的普通玻璃，不仅能够达到对建筑外观的要求，并起到遮阳的效果，还能达到节能减排的效果。

2、前景分析

从中国光伏电站的开发建设形式上来看，随着优质的集中式光伏发电项目的开发越来越难，以及大基地光伏发电项目的初步完工，未来中国光伏发电装机容量的主要增长点正从主要依靠集中式光伏发电向以分布式光伏发电为主的形势转变。根据国家能源局公布的数据，2021和2022年中国的分布式光伏发电年新增装机容量均高于集中式光伏发电年新增装机容量。

据中国光伏行业协会预测，从乐观情况来看，2030年中国光伏发电的年新增装机容量最高可达3.17亿kW，具体如图8所示。

图8 2023—2030年中国光伏发电的年新增装机容量预测

根据目前集中式光伏发电与分布式光伏发电的增长态势进行保守估计，2030年二者的年新增装机容量都能达到1.5亿kW以上，且集中式光伏电站将主要使用晶体硅光伏组件。

分布式光伏电站中，光伏组件的安装主要是以建筑物为载体。由于晶体硅光伏组件对光照条件要求较高，且安装于建筑物上的光伏组件通常采用固定安装倾角，这对此类光伏组件的发电效率造成了限制；而薄膜光伏组件具有优异的弱光性，对于光照条件的要求较低。与外观、形状、颜色都能够定制的薄膜光伏组件不同，为保证晶体硅光伏组件的吸光性与发电能力，其颜色一般为蓝色或黑色，不能满足建筑对于外观的要求。

随着薄膜太阳电池的发电性能不断提升、成本持续下降、产业链日渐完善，未来可能会取代晶体硅太阳电池成为太阳电池的主力军[9]。在中国“双碳”目标的稳步推进下，建筑行业对于节能减排的需求越来越迫切，而BIPV建筑作为建筑领域为数不多的主动降低能耗的方法之一，未来其受重视程度将会越来越高。将光伏组件与建筑相结合，可有效降低建筑整体用电负荷，并提高建筑的能源利用率[10]。因此，未来薄膜光伏组件在分布式光伏发电中的应用份额将会越来越高。

3、展望

目前，晶体硅太阳电池因技术成熟、光电转换效率较高等特点在各种场景均有应用，应用规模较大。但其未来研究方向除了需继续在光电转换效率方面突破外，还应加快与建筑物相结合的研究，在不损失自身输出功率的前提下开发美观度更高、颜色更加多样的产品，为应用端提供更多选择；重点可为对美观要求较低的厂房、工厂建筑开发针对性产品。

而薄膜太阳电池因技术成熟度不足、建设成本较高的原因，目前仍停留在示范阶段，并无较大规模应用。因此，未来此类太阳电池研究的首要任务是提升光电转换效率、降低建设成本，当产品具有相当竞争力后可发展商业化定制产品，以满足多种场景的应用需求。

为实现“双碳”目标，未来中国对光伏发电的需求仍会很大，而光伏产业的进步、光伏发电应用形式的多样化无疑会为中国光伏发电规模化发展提供有力支持。因此，无论是对于晶体硅太阳电池，还是薄膜太阳电池，都需要促进其技术继续进步。

4、结论

本文从原材料储量及制备工艺、光电转换效率、成本、应用场景等方面对晶体硅和薄膜太阳

电池进行了各维度对比，并对两种太阳电池的应用前景进行了分析与展望。分析发现：晶体硅太阳电池具有较高的光电转换效率及较低的单瓦建设成本；而薄膜太阳电池的技术成熟度仍需进一步提高，包括光电转换效率的提升与单瓦建设成本的下降。

参考文献:

[1]张琦,田硕硕,沈佳林.中国钢铁行业碳达峰碳中和时间表与路线图[J].钢铁,2023,58(9):59-68.

[3]董梓童.薄膜太阳能电池迎发展新风口[N].中国能源报,2024-01-15(011).

[4]马立云,傅干华,官敏,等.碲化镉薄膜太阳电池研究和产业化进展[J].硅酸盐学报,2022,50(8):2305-2312.

[5]刘佳鹭.中国光伏产品在建筑可再生能源设计的应用现状及展望[J].建筑科技,2022,6(6):6-8.

[7]范文涛,朱刘.碲化镉薄膜太阳能电池的研究现状及进展[J].材料研究与应用,2017,11(1):6-8.

[8]姚金楠. BIPV激活薄膜电池市场[N].中国能源报,2022-07-18(011).