晶體硅與薄膜太陽電池多維度對比分析

摘 要：光伏發電作為中國可再生能源體系中不可或缺的一部分，對中國實現能源體系轉型及“雙碳”目標具有重要意義，不同的光伏發電技術使中國光伏產業發展方向變得更加多樣化。從原材料儲量及制備工藝、光電轉換效率、成本、應用場景等方面對晶體硅和薄膜太陽電池進行對比，并對兩種太陽電池的應用前景進行了分析與展望。分析發現：晶體硅太陽電池具有較高的光電轉換效率及較低的單瓦建設成本；而薄膜太陽電池的技術成熟度仍需進一步提高，包括光電轉換效率的提升與單瓦建設成本的下降。

關鍵詞：晶體硅太陽電池；薄膜太陽電池；碲化鎘；銅銦鎵硒；光電建筑一體化；對比分析

中圖分類號：TM615 文獻標志碼：A

0" 引言

太陽能發電是目前應用最廣泛的可再生能源發電技術之一。截至2023年，中國各類能源的裝機容量的占比如圖1所示。由圖1可知：截至2023年，中國太陽能發電的裝機容量占中國各類能源總裝機容量的比例已超過20%，其在中國的能源體系中扮演著相當重要的角色。而在太陽能發電中，光伏發電一直占據著主要位置。大力發展光伏發電也是中國實現“雙碳”目標的重要路徑之一，為實現碳達峰目標，到2030年中國光伏發電累計裝機容量應達到11.7～13.2億kW[1]。截至2023年，中國光伏發電累計裝機容量為6.09億kW，距離上述目標仍有5～7億kW的差距。因此，未來中國光伏發電仍需繼續高質量發展、持續擴大裝機規模，為中國順利實現“雙碳”目標提供有力幫助。

光伏組件是光伏發電的主要設備，太陽電池是光伏組件的主要發電部件。根據原材料及制備工藝不同，目前太陽電池主要分為晶體硅太陽電池和薄膜太陽電池。本文從原材料儲量及制備工藝、光電轉換效率、成本、應用場景4個方面對晶體硅和薄膜太陽電池進行對比，并對兩種太陽電池的應用前景進行分析與展望。

1" 晶體硅與薄膜太陽電池的多維度對比

1.1" 原材料儲量及制備工藝對比

目前，根據原材料不同，晶體硅太陽電池可分為多晶硅太陽電池與單晶硅太陽電池；其中，根據摻雜工藝不同，單晶硅太陽電池還可分為p型單晶硅太陽電池與n型單晶硅太陽電池。根據原材料不同，薄膜太陽電池可分為銅銦鎵硒（CIGS）薄膜太陽電池、碲化鎘（CdTe）薄膜太陽電池、砷化鎵（GaAs）薄膜太陽電池。太陽電池主要分類情況如圖2所示。

在中國，晶體硅太陽電池的原材料儲量遠高于薄膜太陽電池的原材料儲量。晶體硅太陽電池的主要原材料為硅，根據中國自然資源部公布的信息，截至2022年，中國冶金用石英巖礦石的儲量達33641.95萬t，表明原材料儲量較為豐富；這些儲量主要分布在江西省、安徽省、海南省等省份。此外，隨著制備工藝的升級，晶體硅太陽電池制備過程中的許多關鍵材料已可以被替換，目前已無需任何稀有或稀缺物質[2]。對于薄膜太陽電池而言，根據類型不同，其所需的原材料也有所不同，但基本是以稀有金屬作為原材料。2022年中國的薄膜太陽電池用稀有金屬的儲量如表1所示，可以看出：與晶體硅太陽電池的原材料儲量相比，薄膜太陽電池的原材料儲量較少。

晶體硅太陽電池的制備工序較為復雜，其中，硅棒、硅片的制備環節對技術的要求較高，且原材料提取成本也使此類太陽電池的制備成本較高。相較于晶體硅太陽電池，CIGS薄膜太陽電池的工序更簡單、能耗更低[3]；CdTe薄膜太陽電池作為目前產業化最成功的薄膜太陽電池，

其制備工藝較為簡單[4]。不同于CIGS薄膜太陽電池和CdTe薄膜太陽電池，GaAs薄膜太陽電池的制備技術復雜、成本高、原材料開采難度較大。由于薄膜太陽電池的成膜工藝具有連貫性，使其可全自動化生產，從而可大幅降低薄膜光伏組件的成本[5]。

1.2" 光電轉換效率對比

太陽電池的光電轉換效率是衡量其發電性能和項目經濟效益的重要指標，高光電轉換效率代表著高單位面積輸出功率、低單位能源生產成本。光電轉換效率直接關系著太陽電池的市場競爭力，在太陽電池的研發過程中，需考慮的一個關鍵問題就是如何以最低的生產成本使太陽電池實現最高的光電轉換效率[6]。

2018—2023年不同類型晶體硅太陽電池的光電轉換效率變化情況如圖3所示。

由圖3可知：總體而言，無論是單晶硅太陽電池，還是多晶硅太陽電池，在過去6年（2018—2023年）間，其光電轉換效率一直在持續提升。但相比之下，p型多晶黑硅太陽電池與p型單晶硅太陽電池的光電轉換效率提升較少，6年間僅分別提升了1.1%和1.6%；而n型TOPCon單晶硅太陽電池的光電轉換效率提升幅度較多，6年間提升了3.5%，于2023年達到了25%左右。值得注意的是，晶體硅太陽電池的理論最高光電轉換效率為29%[2]，截至2023年，量產晶體硅太陽電池的光電轉換效率約為25%，因此，未來晶體硅太陽電池的光電轉換效率提升空間約為4%。

2018—2023年不同類型薄膜太陽電池的光電轉換效率變化情況如圖4所示。

由圖4可知：6年間薄膜太陽電池的光電轉換效率并未穩定提升，提升最多的為GaAs薄膜太陽電池，提升幅度約為2.4%；CdTe薄膜太陽電池的光電轉換效率提升趨勢較為穩定，呈逐步上升趨勢，其2023年時的光電轉換效率比2018年時提升了1.8%，達到15.8%；CIGS薄膜太陽電池在2023年的光電轉換效率甚至低于2018年的值，降低了0.2%。

需要說明的是，雖然GaAs薄膜太陽電池的光電轉換效率較高，但由于其制備工藝的獨特性，目前針對此類太陽電池開發的研發機構較少，且此類太陽電池產品幾乎不用于民用，因此，下文不對其進行比較。

綜上可知，薄膜太陽電池的光電轉換效率普遍低于晶體硅太陽電池的光電轉換效率，截至2023年，晶體硅太陽電池的光電轉換效率比薄膜太陽電池的最多可提高50%。但值得注意的是，薄膜太陽電池的理論光電轉換效率并不低于晶體硅太陽電池的理論光電轉換效率，其中，CdTe薄膜太陽電池的理論最高光電轉換效率為28%，CIGS薄膜太陽電池的理論最高光電轉換效率更是高達33.4%[7]。因此，相比于晶體硅太陽電池，薄膜太陽電池具有更大的發展潛力，未來有可能追平甚至超越晶體硅太陽電池的光電轉換效率。

1.3" 成本對比

本研究收集了2022—2023年光伏市場中工程總承包（EPC）光伏發電項目采用的主要光伏組件類型的中標價格，然后分析得到采用不同類型太陽電池時EPC光伏發電項目的單瓦建設成本，具體如圖5所示。

由圖5可知：采用晶體硅太陽電池時，EPC光伏發電項目的單瓦建設成本中位數約為3元/W；采用CdTe薄膜太陽電池時，其單瓦建設成本的中位數最高，為4.5元/W。采用CIGS薄膜太陽電池時，其單瓦建設成本中位數為4.1元/W；采用CdTe和CIGS薄膜太陽電池時，EPC光伏發電項目的建設成本均至少比其采用晶體硅太陽電池時高45%。

此外，通過分析多個EPC光伏發電項目的建設成本可以發現：采用晶體硅太陽電池的不同項目之間的建設成本相差較小，建設成本較為穩定，具有參考性；而采用CdTe薄膜太陽電池或采用CIGS薄膜太陽電池的不同項目之間的建設成本相差較大，單瓦建設成本差距在1.3元/W以上，因此，采用薄膜太陽電池的EPC光伏發電項目的建設成本相對較高且波動較大。

雖然大多數薄膜太陽電池的制備成本低于晶體硅太陽電池的值，但在應用階段，由于薄膜光伏組件通常用于建筑物的屋頂或立面，導致衡量薄膜太陽電池建設成本時需考慮建筑物的加固、翻新等的項目成本，這也是薄膜太陽電池的建設成本高于晶體硅太陽電池的主要原因。此外，不同建筑物對于翻新或加固的要求不同，這也是薄膜太陽電池建設成本波動范圍較大的原因之一。

1.4" 應用場景對比

根據建設形式不同，光伏電站主要分為集中式光伏電站和分布式光伏電站。集中式光伏電站的裝機規模較大，主要建設在中國西北地區的荒地、戈壁、草原等太陽能資源豐富、土地充足的地區，且此類光伏電站通常采用晶體硅光伏組件，實景如圖6所示。

分布式光伏電站的裝機規模相對較小，可建設在人口較為密集的城市、鄉村等地區。光伏建筑一體化（BIPV）作為分布式光伏電站的一種主要應用形式，通常采用薄膜光伏組件且安裝于建筑屋頂或立面，實景如圖7所示。

由于晶體硅太陽電池具有生產工藝成熟、光電轉換效率較高等優勢，采用此類太陽電池的光伏組件目前已廣泛應用于集中式光伏電站，且其在分布式光伏電站中也有一定程度的應用，通常安裝在廠房、農村建筑等的屋頂。2021年，全球采用晶體硅光伏組件建成的光伏發電項目的裝機容量占全球光伏發電項目總裝機容量的80%以上，并擁有超過90%的市場份額[6]。

目前，采用薄膜太陽電池的光伏組件主要應用于BIPV建筑中。薄膜光伏組件具有輕薄、顏色可定制、透光率高等特點，可直接作為建筑的一部分。姚金楠[8]指出，薄膜光伏組件具有很好的弱光性，更適合安裝于建筑物立面。當光伏組件安裝于屋頂、幕墻、窗戶等位置時，相比于晶體硅光伏組件，薄膜光伏組件可與建筑進行高度結合。使用薄膜光伏組件代替傳統建筑屋面或立面上的普通玻璃，不僅能夠達到對建筑外觀的要求，并起到遮陽的效果，還能達到節能減排的效果。

2" 前景分析

從中國光伏電站的開發建設形式上來看，隨著優質的集中式光伏發電項目的開發越來越難，以及大基地光伏發電項目的初步完工，未來中國光伏發電裝機容量的主要增長點正從主要依靠集中式光伏發電向以分布式光伏發電為主的形勢轉變。根據國家能源局公布的數據，2021和2022年中國的分布式光伏發電年新增裝機容量均高于集中式光伏發電年新增裝機容量。

據中國光伏行業協會預測，從樂觀情況來看，2030年中國光伏發電的年新增裝機容量最高可 達3.17億kW，具體如圖8所示。

根據目前集中式光伏發電與分布式光伏發電的增長態勢進行保守估計，2030年二者的年新增裝機容量都能達到1.5億kW以上，且集中式光伏電站將主要使用晶體硅光伏組件。

分布式光伏電站中，光伏組件的安裝主要是以建筑物為載體。由于晶體硅光伏組件對光照條件要求較高，且安裝于建筑物上的光伏組件通常采用固定安裝傾角，這對此類光伏組件的發電效率造成了限制；而薄膜光伏組件具有優異的弱光性，對于光照條件的要求較低。與外觀、形狀、顏色都能夠定制的薄膜光伏組件不同，為保證晶體硅光伏組件的吸光性與發電能力，其顏色一般為藍色或黑色，不能滿足建筑對于外觀的要求。

隨著薄膜太陽電池的發電性能不斷提升、成本持續下降、產業鏈日漸完善，未來可能會取代晶體硅太陽電池成為太陽電池的主力軍[9]。在中國“雙碳”目標的穩步推進下，建筑行業對于節能減排的需求越來越迫切，而BIPV建筑作為建筑領域為數不多的主動降低能耗的方法之一，未來其受重視程度將會越來越高。將光伏組件與建筑相結合，可有效降低建筑整體用電負荷，并提高建筑的能源利用率[10]。因此，未來薄膜光伏組件在分布式光伏發電中的應用份額將會越來越高。

3" 展望

目前，晶體硅太陽電池因技術成熟、光電轉換效率較高等特點在各種場景均有應用，應用規模較大。但其未來研究方向除了需繼續在光電轉換效率方面突破外，還應加快與建筑物相結合的研究，在不損失自身輸出功率的前提下開發美觀度更高、顏色更加多樣的產品，為應用端提供更多選擇；重點可為對美觀要求較低的廠房、工廠建筑開發針對性產品。

而薄膜太陽電池因技術成熟度不足、建設成本較高的原因，目前仍停留在示范階段，并無較大規模應用。因此，未來此類太陽電池研究的首要任務是提升光電轉換效率、降低建設成本，當產品具有相當競爭力后可發展商業化定制產品，以滿足多種場景的應用需求。

為實現“雙碳”目標，未來中國對光伏發電的需求仍會很大，而光伏產業的進步、光伏發電應用形式的多樣化無疑會為中國光伏發電規模化發展提供有力支持。因此，無論是對于晶體硅太陽電池，還是薄膜太陽電池，都需要促進其技術繼續進步。

4" 結論

本文從原材料儲量及制備工藝、光電轉換效率、成本、應用場景等方面對晶體硅和薄膜太陽電池進行了各維度對比，并對兩種太陽電池的應用前景進行了分析與展望。分析發現：晶體硅太陽電池具有較高的光電轉換效率及較低的單瓦建設成本；而薄膜太陽電池的技術成熟度仍需進一步提高，包括光電轉換效率的提升與單瓦建設成本的下降。

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[10] 李加方. 新能源光伏發電助力建筑電氣節能減排探討[J]. 工程建設與設計，2024（8）：37-39.

Multidimensional Comparative Analysis of c-Si and

Thin-Film Solar Cells

Ren Mu1，Liang Xiaorong1，Chen Wang1，Fang Yang1，Xu Tianyu2

（1. Guangdong Energy Group Guizhou Co. Ltd，Guiyang 550081，China；

2. Beijing Jipeng Investment Information amp; Consulting Ltd.，Beijing 100050，China）

Abstract：As an indispensable part of China's renewable energy system，PV power generation is of great significance for achieving China's energy system transformation and goals of emission peak and carbon neutrality. The development of different PV power generation technologies has made the direction of China's PV industry more diversified. This paper compares the raw material reserves and preparation processes，photoelectric conversion efficiency，cost，and application scenarios，and analyzes and prospects the application prospects of c-Si and thin-film solar cells. Analysis has found that c-Si solar cells have high photoelectric conversion efficiency and low construction cost per watt，while the technological maturity of thin-film solar cells still needs to be further improved，including the improvement of photoelectric conversion efficiency and the reduction of construction cost per watt.

Keywords：c-Si solar cells；thin-film solar cells；CdTe；CIGS；BIPV；comparative analysis