銅銦鎵硒薄膜光伏建筑一體化發展與應用

琚京蒙 ，趙天宏 （北方工業大學建筑與藝術學院，北京 100144）

隨著全球氣候變化帶來的惡果日益顯著，可持續發展理念得到更加廣泛的認同，在建筑領域表現為綠色建筑的普及。太陽能建筑技術是綠色建筑的重要應用形式，近年來逐步推進的光伏建筑一體化（BIPV）技術打破傳統太陽能建筑技術附加的形式，開辟了太陽能建筑的新領域。銅銦鎵硒薄膜光伏建筑一體化（CIGS-BIPV），依托銅銦鎵硒（CIGS）薄膜光伏組件的優勢，與多項先進技術高度集成，結合建筑美學原則進行設計施工，將BIPV的優勢充分展現。

1 CIGS-BPIV概述

1.1 CIGS薄膜光伏電池

銅銦鎵硒薄膜光伏電池模塊得名于其材料面層中的銅銦鎵硒吸收層。典型單結CIGS電池結構是由多個材料面層疊合而成，如圖1所示。因其在薄膜太陽能電池中光電轉化效率最高、弱光發電性能好、功能衰減低。

1.2 光伏建筑一體化（BIPV）

圖1 CIGS薄膜光伏電池

本文光伏建筑一體化（BIPV）是指將光伏電池集成于建筑圍護結構，以替代傳統建筑材料。與之相對的另一個類別是BAPV，區分二者的主要依據是集成還是附加，BIPV中的光伏組件可認為是建筑物結構的一部分，集成到建筑物的設計中。BIPV組件也可以是建筑裝飾元素，在美學上具有獨特的視覺效果。BIPV技術與光伏材料的性能、構造施工以及建筑美學密不可分。

2 銅銦鎵硒薄膜光伏建筑一體化研究現狀

2.1 CIGS薄膜光伏電池研究進展

目前光伏建筑一體化的技術核心集中于光伏電池材料研發，提升光電轉化效率是目前的主要方向。在薄膜光伏電池中，銅銦鎵硒(CIGS)薄膜光伏電池的光電轉換效率最高，且在不斷突破之中，量產CIGS薄膜太陽能電池實驗室效率可達到20%以上，量產光伏組件效率可達到11%～12%。此外在制作工藝的優化，以及柔性電池的研發方面，也有所突破。

2.1.1 國外研究進展

美、日、德三國一直以來就是光伏產業的強國，在CIGS薄膜光伏電池的研發方面也一直處于世界領先地位，有很多可以提供CIGS整線制造方案和CIGS設備的企業。

CIGS的研究最早可追溯至1999年，美國可再生能源實驗室(NREL)將初代CIS太陽能電池中的部分In替換為Ga，形成效率達到18.8%的CIGS太陽能電池。

2013年，瑞士材料科技聯邦實驗室開發出一種新型CIGS薄膜太陽能電池，光電轉化率達到20.4%。2014年，美國CIGS薄膜開發商Stion，啟用可擴展工業生產，使原型CIGS電池(20×20 cm)的轉換效率達到23.2% 。2017年，有學者對CIGS制備工藝做調整，在Se氣體氛圍下用堿金屬氟鹽進行“沉積后處理”，效率可超過21%。2019年Solar Frontier采用(Zn,Mg)O/Zn(O,S,OH)工藝，提升電池性能，生產出光電轉化效率可達23.35%的薄膜光伏組件。

2.1.2 國內發展概況

在我國，隨著各企業機構不斷發展壯大，CIGS薄膜光伏電池研發有所突破。

漢能控股集團通過收購美、德兩國企業，成為了國內市場銅銦鎵硒光伏電池的領軍企業，旗下現有德國Solibro、美國 MiaSolé、Global Solar Energy 三家全資海外子公司。

2017年Solibro Hi-Tech GmbH研發的玻璃基銅銦鎵硒 (CIGS)薄膜太陽能冠軍組件，以16.97%的全面積組件光電轉換效率刷新世界記錄，并得到了德國科隆TVRheinland測試機構驗證。

2019年MiaSolé和歐洲Solliance太陽能研究機構研發的柔性太陽能電池光電轉換效率達到23%，建立了一項世界紀錄（柔性CIGS太陽能電池的效率比玻璃基底電池的效率要低，但它更輕質，是建造建筑物曲面的良好材料）。

2.2 銅銦鎵硒薄膜光伏建筑一體化(CIGS-BIPV)技術研究進展

2017年6 月《CIGS太陽能薄膜發電技術在光伏建筑一體化中的應用》課題獲得立項批復，課題其中一項成果為《建筑銅銦鎵硒薄膜光伏系統應用技術規程》，覆蓋了銅銦鎵硒薄膜光伏系統應用于建筑的全部環節。

2018年8 月國家能源集團啟動的銅銦鎵硒薄膜光伏建筑一體化項目取得重大進展，形成了完整的技術和產業戰略布局。

3 銅銦鎵硒薄膜光伏建筑一體化應用現狀——案例研究

隨著眾多科研項目的逐步落實，CIGS-BIPV在實踐應用方面也有了一些進展。該技術在建筑設計領域顯現出獨特價值，CIGS薄膜太陽能的電池組件形式較美觀，且色彩尺寸皆可定制，可形成功能性與藝術性兼具的建筑表皮。

3.1 廣東惠州碧桂園潼湖科技創新小鎮

廣東惠州市碧桂園潼湖科技創新小鎮是國內首座CIGS-BIPV示范項目，于2018年11月2日投入使用。作為一座里程碑式建筑，標志著國內真正意義上的光伏建筑一體化從理論走向實踐，在業內獲得廣泛關注。

BIPV主要體現在建筑外立面，該項目中2號、6號和7號樓的裝飾幕墻均采用了CIGS薄膜光伏組件。在建筑美學方面，與BAPV的外掛附加形式相比，顯得精致而簡潔，體現科技感與技術感，如圖2所示。

在建筑的節能方面，充分考慮了建筑所處地理位置及太陽能利用效率，每棟建筑按照各自受光情況，分別在不同的立面安裝GIGS光伏玻璃（主要是南面、東面或西面），其他立面采用仿CIGS玻璃替代，3棟樓共安裝2037塊光伏玻璃，充分考慮到節能與經濟的平衡。

項目建成后年發電量約為12.3萬kW·h，節能效果顯著，體現了CIGS薄膜光伏電池的優良性能。

此案例經BIPV設計后的建筑立面相比于傳統BAPV具有簡潔、形式統一的優勢，表明光伏建材已能夠像普通建材那樣與建筑有機貼合，為建筑的長期維護工作帶來便利。但其過度追求與BAPV對立的簡潔形式，缺乏必要的設計感。此外，該項目采用光伏玻璃與仿真光伏玻璃結合，在節能與經濟方面具有一定合理性，但從建筑學角度來講，違背了材料的真實性原則，也不符合建構的邏輯。

3.2 太原市某工廠內員工餐廳

山東建筑大學利用多種軟件輔助，兼顧太陽能利用效率、CIGS薄膜太陽能電池的特性以及建筑形式，為某光伏企業的項目進行BIPV設計。

該項目位于山西省太原市，是一廠區的員工餐廳。BIPV設計運用軟件進行前期場地考察，重點分析了太陽輻射特點，作為幕墻單元光伏組件和建筑設計的依據。

對于建筑外表皮設計，首先通過軟件分析立面及屋頂的受光強度，布置不同規格和不同數量的CIGS薄膜太陽能電池板材，主要使用了1190 mm×1580 mm、1190 mm×790 mm兩種型號，第一種主要安裝于屋頂，數量為635片，第二種則安裝于東西南三個立面上，共483片。而后由于CIGS薄膜太陽能電池不透光的特性，計算了在滿足室內采光條件下的光伏光幕墻單元與普通玻璃幕墻的比例，并依據軟件計算出的最佳朝向控制光伏板放置的角度，體現節能性與舒適性的結合。

經過BIPV設計后的方案節能率為33%，效果顯著，同時又以優美的形式充分體現了CIGS薄膜太陽能電池的美學特性。黑色的光伏幕墻單元與普通玻璃兩種質感的材質相互穿插交錯，形成一定的韻律感，營造了強烈的現代科技氣氛，展現了一種全新的視覺體驗。

4 結論

4.1 發展CIGS-BIPV的優勢

銅銦鎵硒薄膜光伏建筑一體化（CIGS-BIPV）的推廣應用，將會為太陽能光伏產業與建筑業帶來共贏。

第一，CIGS薄膜光伏電池因其電轉化效率最高、對太陽能光照強度需求較低等優勢，成為各高校相關專業與光伏企業機構重點攻克領域，性能快速提升，具有較大發展動力與潛力。此外，CIGS薄膜光伏電池得天獨厚的美學和藝術特性，受到眾多建筑設計者們的青睞，有望形成新的建筑美學觀念，提升城市建筑風貌的豐富性與多樣性。這些因素使得在多種光伏電池材料中，CIGS依然是光伏建筑一體化的首選。

第二，在短期內，光伏建筑一體化可以為光伏產業帶來較大的利益。首先，目前中國分布式光伏項目中，光伏與建筑結合的項目占比約為80%，建筑依然是最主要的載體。其次，我國既有居住面積與工業建筑面積總量超過800億m3，為BIPV提供巨大的潛在市場。

4.2 發展CIGS-BIPV需要開拓思路

通過對CIGS-BIPV在國內發展概況進行歸納總結可發現：國內企業與學者們都致力于通過改進制備工藝和替換部分材料面層中的元素達到提高薄膜電池質量與性能的目的，技術開發重點依然停留在材料層面。

在這種背景下，光伏與建筑產業想要突破瓶頸，需要開拓思路，將研究的重點逐漸從針對材料本身性能的提升向多樣化應用方面轉移，BIPV具有多種應用形式，可以逐步探索與每種形式相對應的細部構造方式，還可以與大數據人工智能等前沿科技結合，形成智慧化光伏，如北京海淀公園智慧景區智能充電座椅，進一步發展為智慧光伏建筑，從一塊組件到一棟建筑再到整個城市，實現能源的智慧化控制。

4.3 發展CIGS-BIPV需要突破的難點

CIGS-BIPV是一個跨領域的綜合性課題，需要綜合考慮節能、經濟、舒適、美學等多個方面。隨著技術的普及與成本的降低，節能舒適經濟等問題可較快得到改善。

但一項技術是否成熟，很大程度上取決于最終呈現的結果，如何在設計中靈活地運用CIGS光伏材料，用新的建筑語言營造一定空間氛圍，是設計師必須解決的問題。在實際工程中，由于光伏建材具有建筑維護與發電的雙重功能，電路與建筑材料的整合具有一定難度。現階段CIGS-BIPV實際項目較少，相信未來會在實踐中探索出一系列綜合解決問題的解決方案。