薄膜光伏发展现状及在建筑领域的应用

薄膜太阳电池（Thin-film solar cell）是薄膜光伏发电技术的核心，是指在玻璃或柔性基底上沉积并构成 p-n 结的半导体薄膜光伏器件。

按照光吸收层材料的不同，薄膜太阳电池可分为硅基、CdTe、铜铟镓硒(CIGS)、砷化镓 (GaAs) 及 PSCs 等类型。

目前，在建筑领域中应用较多的是 CdTe 薄膜太阳电池和 CIGS 薄膜太阳电池。

下面以CdTe 薄膜太阳电池为例，讲解薄膜光伏发电结构和原理。

太阳光穿过导电玻璃并被硫化镉 (CdS) 薄膜 ( 即 CdS 窗口层 ) 和 CdTe薄膜 ( 即 CdTe 吸收层 ) 吸收，CdTe 薄膜吸收光子后释放电子 - 空穴对，电子被背电极收集然后传导出太阳电池，从而产生电流。

结构特点：其吸光层是又由 CdTe、CIGS、非晶硅等以薄膜形式沉积，厚度仅为微米级别，一般在1-5微米，是晶硅电池的1/100左右的超薄吸光层。

《城乡建设领域碳达峰实施方案》中指出，应推进建筑太阳能光伏一体化建设，并给出了光伏覆盖率的推荐指标；GB 55015—2021。

Thin-film solar cell

《建筑节能与可再生能源利用通用规范》中要求，新建建筑应安装太阳能系统且应实现全年综合利用。

Thin-film solar cell

国家发展改革委、住房和城乡建设部在《加快推动建筑领域节能降碳工作方案》中提出，要支持钙钛矿 (PSCs)、碲化镉 (CdTe) 等薄膜太阳电池技术装备在建筑领域的应用，为薄膜光伏发电技术的应用和推广擘画蓝图。

Thin-film solar cell

CdTe 薄膜太阳电池的发展历程可追溯到 20世纪 60 年代。

1963 年，世界上第 1 块CdTe 薄膜太阳电池由美国无线电公司实验室 在 CdTe单晶 上 镀 铟 的 合 金 制 得， 其 光 电 转 换 效 率 为2.1%。

近年来，随着采用宽禁带材料作为窗口层，CdTe 薄膜太阳电池的光电转换效率纪录不断刷新，最高已达到 22.6%( 该数 据 截 至 2024 年 4 月 )，由美国 First Solar 公司创造。

国内外产业发展现状

薄膜光伏组件的全球产量基本呈现持续稳步提升的趋势，尤其是在 2020—2022 年间，伴随小规模、分布式光伏的发展，其 3 年间 的 年 产 量 增 长 率 超 过 40%。

2022年全球薄膜光伏组件年产量达到 9.2 GW，较2021 年同比增长10.3%，其中CdTe 薄膜光伏组件达到9.18GW，占比为99.8%；其余主要是CIGS薄膜光伏组件，全球年产量约为0.03GW。

由于研发和制造薄膜光伏组件的国家较少，且具备生产能力的企业有限，薄膜光伏组件的全球年产量增长幅度仍然滞后于晶硅光伏组件，其全球市场占有率仍然呈现下滑趋势，2022 年该值为 3.1%，较 2021 年同比下降 0.7%。

国内外薄膜光伏产业化现状

国外：国外薄膜光伏产业化以美国公司First Solar为核心，CdTe技术占据主导地位。2022年，First Solar的CdTe组件产能达9.8 GW，实际年产量9.1 GW（同比增长15%）。其中，美国和印度工厂贡献了93%的产能。

该公司通过产能扩张、产品升级和技术创新保持竞争力，并计划进一步巩固其在全球光伏市场的影响力。

1.产能扩张：该公司计划到2025年全球产能超20 GW，并在美国阿拉巴马州新建3.5 GW工厂，进一步巩固其市场地位。

2.产品升级：目前主推Series 6和Series 7两个系列组件：

• Series 6：量产平均功率480 W，效率19.0%。
• Series 7：采用更大尺寸和优化背轨设计，量产功率540 W，效率19.3%，预计2025年产能占比超50%。

   

3.技术创新：First Solar近期与量子点技术公司UbiQD合作，探索在双面组件中应用量子点材料，以提升光谱转换效率。

并且该公司持续优化CdTe薄膜沉积工艺，并推动低碳制造，其组件的碳足迹显著低于晶硅产品。

未来，随着Series 7组件占比提升及量子点等新技术的应用，薄膜光伏在大型电站和BIPV（光伏建筑一体化）领域的应用前景广阔。

国内：2022年，中国CdTe和CIGS薄膜光伏组件的年产量分别约为80MW和30MW。从装机场景差异来看，国外薄膜光伏组件的主要应用场景为地面光伏电站，国内则基本以建筑光伏项目为主。

下表为中国薄膜太阳电池的实验室最高光电转换效率，以及薄膜光伏组件量产的最高和平均组件效率。

中国代表性薄膜光伏组件制造企业

1.龙焱能源科技 ( 杭州 ) 股份有限公司

成立于2008 年，通过推动自主研发，已拥有 3 条 CdTe薄膜光伏组件 ( 尺寸为 1200 mm×600 mm) 全自动化生产线，总产能超过 150 MW。

该公司生产的小面积 CdTe 薄膜太阳电池的实验室光电转换效率已达到 20.6%；标准尺寸的 CdTe 薄膜光伏组件峰值功率量产最高可达 123 W，组件效率达 17.1%。

3.明阳瑞科薄膜光伏科技 ( 广东 ) 有限公司

2015 年启动 CdTe 薄膜光伏组件生产以来，致力于 CdTe、PSCs 及叠层技术的研发，目前已拥有年产能 100 MW 的 CdTe 薄膜光伏组件生产线，具备 3.2 mm 及 5.0 mm 以上厚度的 CdTe 薄膜层制造能力。

该公司生产的CdTe薄膜太阳电池的实验室光电转换效率超过21%；CdTe薄膜光伏组件的量产最高峰值功率达到 124.3 kW，组件效率达到 17.3%。

4.凯盛科技集团有限公司

2023年5月，该集团生产的小尺寸 (30 cm×30 cm)CIGS 薄膜光伏组件的量产最高组件效率达到 20.3%。

此外，该集团与德国 TüV NORD 集团共同设立了 CIGS 薄膜光伏技术联合实验室，用于开展 CIGS 薄膜光伏组件测试技术研发。

而 CdTe 薄膜光伏组件的工作电压为 137.20 V，是晶硅光伏组件的 3～4 倍，工作电流则相对较小，因此薄膜光伏系统一般采取“多并少串”的方式，适配薄膜光伏系统的电力电子设备应考虑其高电压、低电流的工作特性。

单位装机面积年发电量对比

在屋面的水平面及正南朝向 30°倾角安装条件下，CdTe 薄膜光伏组件的单位装机面积年发电量分别为 208 kWh/m2，239kWh/m2，低于单晶硅光伏组件，但相较于多晶硅光伏组件则分别高出 11% 和 8%。

相比之下，单晶硅光伏组件在两种安装方式下的单位装机面积年发电量相差 17.5%，而 CdTe 薄膜光伏组件的仅相差 13.0%。

总体来看，由于单晶硅光伏组件的单位装机面积年发电量更高，因此在屋顶装机空间有限、太阳辐照资源较好，且以最大化发电量为首要目标时，单晶硅光伏组件更具优势。

单位装机面积年发电量年发电小时数

CdTe 薄膜光伏组件在水平面、南立面、正南朝向30° 倾角安装条件下的年发电小时数分别达到了1377h，1082h和1582h；

相比之下，单晶硅光伏组件的年发电小时数仅在正南朝向30° 倾角安装条件下超过了1000h，达到1165h。

因此，在相同装机容量下，相较于单晶硅光伏组件，CdTe 薄膜光伏组件具有更高的发电量，在建筑表面装机空间充足、以追求可持续发电为目标时，CdTe 薄膜光伏组件的发电性能更佳。