铜铟镓硒薄膜光伏建筑一体化发展与应用

琚京蒙 ，赵天宏 （北方工业大学建筑与艺术学院，北京 100144）

随着全球气候变化带来的恶果日益显著，可持续发展理念得到更加广泛的认同，在建筑领域表现为绿色建筑的普及。太阳能建筑技术是绿色建筑的重要应用形式，近年来逐步推进的光伏建筑一体化（BIPV）技术打破传统太阳能建筑技术附加的形式，开辟了太阳能建筑的新领域。铜铟镓硒薄膜光伏建筑一体化（CIGS-BIPV），依托铜铟镓硒（CIGS）薄膜光伏组件的优势，与多项先进技术高度集成，结合建筑美学原则进行设计施工，将BIPV的优势充分展现。

1 CIGS-BPIV概述

1.1 CIGS薄膜光伏电池

铜铟镓硒薄膜光伏电池模块得名于其材料面层中的铜铟镓硒吸收层。典型单结CIGS电池结构是由多个材料面层叠合而成，如图1所示。因其在薄膜太阳能电池中光电转化效率最高、弱光发电性能好、功能衰减低。

1.2 光伏建筑一体化（BIPV）

图1 CIGS薄膜光伏电池

本文光伏建筑一体化（BIPV）是指将光伏电池集成于建筑围护结构，以替代传统建筑材料。与之相对的另一个类别是BAPV，区分二者的主要依据是集成还是附加，BIPV中的光伏组件可认为是建筑物结构的一部分，集成到建筑物的设计中。BIPV组件也可以是建筑装饰元素，在美学上具有独特的视觉效果。BIPV技术与光伏材料的性能、构造施工以及建筑美学密不可分。

2 铜铟镓硒薄膜光伏建筑一体化研究现状

2.1 CIGS薄膜光伏电池研究进展

目前光伏建筑一体化的技术核心集中于光伏电池材料研发，提升光电转化效率是目前的主要方向。在薄膜光伏电池中，铜铟镓硒(CIGS)薄膜光伏电池的光电转换效率最高，且在不断突破之中，量产CIGS薄膜太阳能电池实验室效率可达到20%以上，量产光伏组件效率可达到11%～12%。此外在制作工艺的优化，以及柔性电池的研发方面，也有所突破。

2.1.1 国外研究进展

美、日、德三国一直以来就是光伏产业的强国，在CIGS薄膜光伏电池的研发方面也一直处于世界领先地位，有很多可以提供CIGS整线制造方案和CIGS设备的企业。

CIGS的研究最早可追溯至1999年，美国可再生能源实验室(NREL)将初代CIS太阳能电池中的部分In替换为Ga，形成效率达到18.8%的CIGS太阳能电池。

2013年，瑞士材料科技联邦实验室开发出一种新型CIGS薄膜太阳能电池，光电转化率达到20.4%。2014年，美国CIGS薄膜开发商Stion，启用可扩展工业生产，使原型CIGS电池(20×20 cm)的转换效率达到23.2% 。2017年，有学者对CIGS制备工艺做调整，在Se气体氛围下用碱金属氟盐进行“沉积后处理”，效率可超过21%。2019年Solar Frontier采用(Zn,Mg)O/Zn(O,S,OH)工艺，提升电池性能，生产出光电转化效率可达23.35%的薄膜光伏组件。

2.1.2 国内发展概况

在我国，随着各企业机构不断发展壮大，CIGS薄膜光伏电池研发有所突破。

汉能控股集团通过收购美、德两国企业，成为了国内市场铜铟镓硒光伏电池的领军企业，旗下现有德国Solibro、美国 MiaSolé、Global Solar Energy 三家全资海外子公司。

2017年Solibro Hi-Tech GmbH研发的玻璃基铜铟镓硒 (CIGS)薄膜太阳能冠军组件，以16.97%的全面积组件光电转换效率刷新世界记录，并得到了德国科隆TVRheinland测试机构验证。

2019年MiaSolé和欧洲Solliance太阳能研究机构研发的柔性太阳能电池光电转换效率达到23%，建立了一项世界纪录（柔性CIGS太阳能电池的效率比玻璃基底电池的效率要低，但它更轻质，是建造建筑物曲面的良好材料）。

2.2 铜铟镓硒薄膜光伏建筑一体化(CIGS-BIPV)技术研究进展

2017年6 月《CIGS太阳能薄膜发电技术在光伏建筑一体化中的应用》课题获得立项批复，课题其中一项成果为《建筑铜铟镓硒薄膜光伏系统应用技术规程》，覆盖了铜铟镓硒薄膜光伏系统应用于建筑的全部环节。

2018年8 月国家能源集团启动的铜铟镓硒薄膜光伏建筑一体化项目取得重大进展，形成了完整的技术和产业战略布局。

3 铜铟镓硒薄膜光伏建筑一体化应用现状——案例研究

随着众多科研项目的逐步落实，CIGS-BIPV在实践应用方面也有了一些进展。该技术在建筑设计领域显现出独特价值，CIGS薄膜太阳能的电池组件形式较美观，且色彩尺寸皆可定制，可形成功能性与艺术性兼具的建筑表皮。

3.1 广东惠州碧桂园潼湖科技创新小镇

广东惠州市碧桂园潼湖科技创新小镇是国内首座CIGS-BIPV示范项目，于2018年11月2日投入使用。作为一座里程碑式建筑，标志着国内真正意义上的光伏建筑一体化从理论走向实践，在业内获得广泛关注。

BIPV主要体现在建筑外立面，该项目中2号、6号和7号楼的装饰幕墙均采用了CIGS薄膜光伏组件。在建筑美学方面，与BAPV的外挂附加形式相比，显得精致而简洁，体现科技感与技术感，如图2所示。

在建筑的节能方面，充分考虑了建筑所处地理位置及太阳能利用效率，每栋建筑按照各自受光情况，分别在不同的立面安装GIGS光伏玻璃（主要是南面、东面或西面），其他立面采用仿CIGS玻璃替代，3栋楼共安装2037块光伏玻璃，充分考虑到节能与经济的平衡。

项目建成后年发电量约为12.3万kW·h，节能效果显著，体现了CIGS薄膜光伏电池的优良性能。

此案例经BIPV设计后的建筑立面相比于传统BAPV具有简洁、形式统一的优势，表明光伏建材已能够像普通建材那样与建筑有机贴合，为建筑的长期维护工作带来便利。但其过度追求与BAPV对立的简洁形式，缺乏必要的设计感。此外，该项目采用光伏玻璃与仿真光伏玻璃结合，在节能与经济方面具有一定合理性，但从建筑学角度来讲，违背了材料的真实性原则，也不符合建构的逻辑。

3.2 太原市某工厂内员工餐厅

山东建筑大学利用多种软件辅助，兼顾太阳能利用效率、CIGS薄膜太阳能电池的特性以及建筑形式，为某光伏企业的项目进行BIPV设计。

该项目位于山西省太原市，是一厂区的员工餐厅。BIPV设计运用软件进行前期场地考察，重点分析了太阳辐射特点，作为幕墙单元光伏组件和建筑设计的依据。

对于建筑外表皮设计，首先通过软件分析立面及屋顶的受光强度，布置不同规格和不同数量的CIGS薄膜太阳能电池板材，主要使用了1190 mm×1580 mm、1190 mm×790 mm两种型号，第一种主要安装于屋顶，数量为635片，第二种则安装于东西南三个立面上，共483片。而后由于CIGS薄膜太阳能电池不透光的特性，计算了在满足室内采光条件下的光伏光幕墙单元与普通玻璃幕墙的比例，并依据软件计算出的最佳朝向控制光伏板放置的角度，体现节能性与舒适性的结合。

经过BIPV设计后的方案节能率为33%，效果显著，同时又以优美的形式充分体现了CIGS薄膜太阳能电池的美学特性。黑色的光伏幕墙单元与普通玻璃两种质感的材质相互穿插交错，形成一定的韵律感，营造了强烈的现代科技气氛，展现了一种全新的视觉体验。

4 结论

4.1 发展CIGS-BIPV的优势

铜铟镓硒薄膜光伏建筑一体化（CIGS-BIPV）的推广应用，将会为太阳能光伏产业与建筑业带来共赢。

第一，CIGS薄膜光伏电池因其电转化效率最高、对太阳能光照强度需求较低等优势，成为各高校相关专业与光伏企业机构重点攻克领域，性能快速提升，具有较大发展动力与潜力。此外，CIGS薄膜光伏电池得天独厚的美学和艺术特性，受到众多建筑设计者们的青睐，有望形成新的建筑美学观念，提升城市建筑风貌的丰富性与多样性。这些因素使得在多种光伏电池材料中，CIGS依然是光伏建筑一体化的首选。

第二，在短期内，光伏建筑一体化可以为光伏产业带来较大的利益。首先，目前中国分布式光伏项目中，光伏与建筑结合的项目占比约为80%，建筑依然是最主要的载体。其次，我国既有居住面积与工业建筑面积总量超过800亿m3，为BIPV提供巨大的潜在市场。

4.2 发展CIGS-BIPV需要开拓思路

通过对CIGS-BIPV在国内发展概况进行归纳总结可发现：国内企业与学者们都致力于通过改进制备工艺和替换部分材料面层中的元素达到提高薄膜电池质量与性能的目的，技术开发重点依然停留在材料层面。

在这种背景下，光伏与建筑产业想要突破瓶颈，需要开拓思路，将研究的重点逐渐从针对材料本身性能的提升向多样化应用方面转移，BIPV具有多种应用形式，可以逐步探索与每种形式相对应的细部构造方式，还可以与大数据人工智能等前沿科技结合，形成智慧化光伏，如北京海淀公园智慧景区智能充电座椅，进一步发展为智慧光伏建筑，从一块组件到一栋建筑再到整个城市，实现能源的智慧化控制。

4.3 发展CIGS-BIPV需要突破的难点

CIGS-BIPV是一个跨领域的综合性课题，需要综合考虑节能、经济、舒适、美学等多个方面。随着技术的普及与成本的降低，节能舒适经济等问题可较快得到改善。

但一项技术是否成熟，很大程度上取决于最终呈现的结果，如何在设计中灵活地运用CIGS光伏材料，用新的建筑语言营造一定空间氛围，是设计师必须解决的问题。在实际工程中，由于光伏建材具有建筑维护与发电的双重功能，电路与建筑材料的整合具有一定难度。现阶段CIGS-BIPV实际项目较少，相信未来会在实践中探索出一系列综合解决问题的解决方案。