晶體硅與薄膜太陽(yáng)電池多維度對(duì)比分析

摘 要：光伏發(fā)電作為中國(guó)可再生能源體系中不可或缺的一部分，對(duì)中國(guó)實(shí)現(xiàn)能源體系轉(zhuǎn)型及“雙碳”目標(biāo)具有重要意義，不同的光伏發(fā)電技術(shù)使中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向變得更加多樣化。從原材料儲(chǔ)量及制備工藝、光電轉(zhuǎn)換效率、成本、應(yīng)用場(chǎng)景等方面對(duì)晶體硅和薄膜太陽(yáng)電池進(jìn)行對(duì)比，并對(duì)兩種太陽(yáng)電池的應(yīng)用前景進(jìn)行了分析與展望。分析發(fā)現(xiàn)：晶體硅太陽(yáng)電池具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率及較低的單瓦建設(shè)成本；而薄膜太陽(yáng)電池的技術(shù)成熟度仍需進(jìn)一步提高，包括光電轉(zhuǎn)換效率的提升與單瓦建設(shè)成本的下降。

關(guān)鍵詞：晶體硅太陽(yáng)電池；薄膜太陽(yáng)電池；碲化鎘；銅銦鎵硒；光電建筑一體化；對(duì)比分析

中圖分類號(hào)：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0" 引言

太陽(yáng)能發(fā)電是目前應(yīng)用最廣泛的可再生能源發(fā)電技術(shù)之一。截至2023年，中國(guó)各類能源的裝機(jī)容量的占比如圖1所示。由圖1可知：截至2023年，中國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電的裝機(jī)容量占中國(guó)各類能源總裝機(jī)容量的比例已超過(guò)20%，其在中國(guó)的能源體系中扮演著相當(dāng)重要的角色。而在太陽(yáng)能發(fā)電中，光伏發(fā)電一直占據(jù)著主要位置。大力發(fā)展光伏發(fā)電也是中國(guó)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要路徑之一，為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰目標(biāo)，到2030年中國(guó)光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量應(yīng)達(dá)到11.7～13.2億kW[1]。截至2023年，中國(guó)光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量為6.09億kW，距離上述目標(biāo)仍有5～7億kW的差距。因此，未來(lái)中國(guó)光伏發(fā)電仍需繼續(xù)高質(zhì)量發(fā)展、持續(xù)擴(kuò)大裝機(jī)規(guī)模，為中國(guó)順利實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供有力幫助。

光伏組件是光伏發(fā)電的主要設(shè)備，太陽(yáng)電池是光伏組件的主要發(fā)電部件。根據(jù)原材料及制備工藝不同，目前太陽(yáng)電池主要分為晶體硅太陽(yáng)電池和薄膜太陽(yáng)電池。本文從原材料儲(chǔ)量及制備工藝、光電轉(zhuǎn)換效率、成本、應(yīng)用場(chǎng)景4個(gè)方面對(duì)晶體硅和薄膜太陽(yáng)電池進(jìn)行對(duì)比，并對(duì)兩種太陽(yáng)電池的應(yīng)用前景進(jìn)行分析與展望。

1" 晶體硅與薄膜太陽(yáng)電池的多維度對(duì)比

1.1" 原材料儲(chǔ)量及制備工藝對(duì)比

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

在中國(guó)，晶體硅太陽(yáng)電池的原材料儲(chǔ)量遠(yuǎn)高于薄膜太陽(yáng)電池的原材料儲(chǔ)量。晶體硅太陽(yáng)電池的主要原材料為硅，根據(jù)中國(guó)自然資源部公布的信息，截至2022年，中國(guó)冶金用石英巖礦石的儲(chǔ)量達(dá)33641.95萬(wàn)t，表明原材料儲(chǔ)量較為豐富；這些儲(chǔ)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(jí)，晶體硅太陽(yáng)電池制備過(guò)程中的許多關(guān)鍵材料已可以被替換，目前已無(wú)需任何稀有或稀缺物質(zhì)[2]。對(duì)于薄膜太陽(yáng)電池而言，根據(jù)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(guó)的薄膜太陽(yáng)電池用稀有金屬的儲(chǔ)量如表1所示，可以看出：與晶體硅太陽(yáng)電池的原材料儲(chǔ)量相比，薄膜太陽(yáng)電池的原材料儲(chǔ)量較少。

晶體硅太陽(yáng)電池的制備工序較為復(fù)雜，其中，硅棒、硅片的制備環(huán)節(jié)對(duì)技術(shù)的要求較高，且原材料提取成本也使此類太陽(yáng)電池的制備成本較高。相較于晶體硅太陽(yáng)電池，CIGS薄膜太陽(yáng)電池的工序更簡(jiǎn)單、能耗更低[3]；CdTe薄膜太陽(yáng)電池作為目前產(chǎn)業(yè)化最成功的薄膜太陽(yáng)電池，

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

1.2" 光電轉(zhuǎn)換效率對(duì)比

太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率是衡量其發(fā)電性能和項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益的重要指標(biāo)，高光電轉(zhuǎn)換效率代表著高單位面積輸出功率、低單位能源生產(chǎn)成本。光電轉(zhuǎn)換效率直接關(guān)系著太陽(yáng)電池的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，在太陽(yáng)電池的研發(fā)過(guò)程中，需考慮的一個(gè)關(guān)鍵問題就是如何以最低的生產(chǎn)成本使太陽(yáng)電池實(shí)現(xiàn)最高的光電轉(zhuǎn)換效率[6]。

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

由圖3可知：總體而言，無(wú)論是單晶硅太陽(yáng)電池，還是多晶硅太陽(yáng)電池，在過(guò)去6年（2018—2023年）間，其光電轉(zhuǎn)換效率一直在持續(xù)提升。但相比之下，p型多晶黑硅太陽(yáng)電池與p型單晶硅太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)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(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率提升幅度較多，6年間提升了3.5%，于2023年達(dá)到了25%左右。值得注意的是，晶體硅太陽(yáng)電池的理論最高光電轉(zhuǎn)換效率為29%[2]，截至2023年，量產(chǎn)晶體硅太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率約為25%，因此，未來(lái)晶體硅太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率提升空間約為4%。

2018—2023年不同類型薄膜太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率變化情況如圖4所示。

由圖4可知：6年間薄膜太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率并未穩(wěn)定提升，提升最多的為GaAs薄膜太陽(yáng)電池，提升幅度約為2.4%；CdTe薄膜太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率提升趨勢(shì)較為穩(wěn)定，呈逐步上升趨勢(shì)，其2023年時(shí)的光電轉(zhuǎn)換效率比2018年時(shí)提升了1.8%，達(dá)到15.8%；CIGS薄膜太陽(yáng)電池在2023年的光電轉(zhuǎn)換效率甚至低于2018年的值，降低了0.2%。

需要說(shuō)明的是，雖然GaAs薄膜太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率較高，但由于其制備工藝的獨(dú)特性，目前針對(duì)此類太陽(yáng)電池開發(fā)的研發(fā)機(jī)構(gòu)較少，且此類太陽(yáng)電池產(chǎn)品幾乎不用于民用，因此，下文不對(duì)其進(jìn)行比較。

綜上可知，薄膜太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率普遍低于晶體硅太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率，截至2023年，晶體硅太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率比薄膜太陽(yáng)電池的最多可提高50%。但值得注意的是，薄膜太陽(yáng)電池的理論光電轉(zhuǎn)換效率并不低于晶體硅太陽(yáng)電池的理論光電轉(zhuǎn)換效率，其中，CdTe薄膜太陽(yáng)電池的理論最高光電轉(zhuǎn)換效率為28%，CIGS薄膜太陽(yáng)電池的理論最高光電轉(zhuǎn)換效率更是高達(dá)33.4%[7]。因此，相比于晶體硅太陽(yáng)電池，薄膜太陽(yáng)電池具有更大的發(fā)展?jié)摿Γ磥?lái)有可能追平甚至超越晶體硅太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

1.3" 成本對(duì)比

本研究收集了2022—2023年光伏市場(chǎng)中工程總承包（EPC）光伏發(fā)電項(xiàng)目采用的主要光伏組件類型的中標(biāo)價(jià)格，然后分析得到采用不同類型太陽(yáng)電池時(shí)EPC光伏發(fā)電項(xiàng)目的單瓦建設(shè)成本，具體如圖5所示。

由圖5可知：采用晶體硅太陽(yáng)電池時(shí)，EPC光伏發(fā)電項(xiàng)目的單瓦建設(shè)成本中位數(shù)約為3元/W；采用CdTe薄膜太陽(yáng)電池時(shí)，其單瓦建設(shè)成本的中位數(shù)最高，為4.5元/W。采用CIGS薄膜太陽(yáng)電池時(shí)，其單瓦建設(shè)成本中位數(shù)為4.1元/W；采用CdTe和CIGS薄膜太陽(yáng)電池時(shí)，EPC光伏發(fā)電項(xiàng)目的建設(shè)成本均至少比其采用晶體硅太陽(yáng)電池時(shí)高45%。

此外，通過(guò)分析多個(gè)EPC光伏發(fā)電項(xiàng)目的建設(shè)成本可以發(fā)現(xiàn)：采用晶體硅太陽(yáng)電池的不同項(xiàng)目之間的建設(shè)成本相差較小，建設(shè)成本較為穩(wěn)定，具有參考性；而采用CdTe薄膜太陽(yáng)電池或采用CIGS薄膜太陽(yáng)電池的不同項(xiàng)目之間的建設(shè)成本相差較大，單瓦建設(shè)成本差距在1.3元/W以上，因此，采用薄膜太陽(yáng)電池的EPC光伏發(fā)電項(xiàng)目的建設(shè)成本相對(duì)較高且波動(dòng)較大。

雖然大多數(shù)薄膜太陽(yáng)電池的制備成本低于晶體硅太陽(yáng)電池的值，但在應(yīng)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(dǎo)致衡量薄膜太陽(yáng)電池建設(shè)成本時(shí)需考慮建筑物的加固、翻新等的項(xiàng)目成本，這也是薄膜太陽(yáng)電池的建設(shè)成本高于晶體硅太陽(yáng)電池的主要原因。此外，不同建筑物對(duì)于翻新或加固的要求不同，這也是薄膜太陽(yáng)電池建設(shè)成本波動(dòng)范圍較大的原因之一。

1.4" 應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)比

根據(jù)建設(shè)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(jī)規(guī)模較大，主要建設(shè)在中國(guó)西北地區(qū)的荒地、戈壁、草原等太陽(yáng)能資源豐富、土地充足的地區(qū)，且此類光伏電站通常采用晶體硅光伏組件，實(shí)景如圖6所示。

分布式光伏電站的裝機(jī)規(guī)模相對(duì)較小，可建設(shè)在人口較為密集的城市、鄉(xiāng)村等地區(qū)。光伏建筑一體化（BIPV）作為分布式光伏電站的一種主要應(yīng)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(shí)景如圖7所示。

由于晶體硅太陽(yáng)電池具有生產(chǎn)工藝成熟、光電轉(zhuǎn)換效率較高等優(yōu)勢(shì)，采用此類太陽(yáng)電池的光伏組件目前已廣泛應(yīng)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(yīng)用，通常安裝在廠房、農(nóng)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(fā)電項(xiàng)目的裝機(jī)容量占全球光伏發(fā)電項(xiàng)目總裝機(jī)容量的80%以上，并擁有超過(guò)90%的市場(chǎng)份額[6]。

目前，采用薄膜太陽(yáng)電池的光伏組件主要應(yīng)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(diǎn)，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(dāng)光伏組件安裝于屋頂、幕墻、窗戶等位置時(shí)，相比于晶體硅光伏組件，薄膜光伏組件可與建筑進(jìn)行高度結(jié)合。使用薄膜光伏組件代替?zhèn)鹘y(tǒng)建筑屋面或立面上的普通玻璃，不僅能夠達(dá)到對(duì)建筑外觀的要求，并起到遮陽(yáng)的效果，還能達(dá)到節(jié)能減排的效果。

2" 前景分析

從中國(guó)光伏電站的開發(fā)建設(shè)形式上來(lái)看，隨著優(yōu)質(zhì)的集中式光伏發(fā)電項(xiàng)目的開發(fā)越來(lái)越難，以及大基地光伏發(fā)電項(xiàng)目的初步完工，未來(lái)中國(guó)光伏發(fā)電裝機(jī)容量的主要增長(zhǎng)點(diǎn)正從主要依靠集中式光伏發(fā)電向以分布式光伏發(fā)電為主的形勢(shì)轉(zhuǎn)變。根據(jù)國(guó)家能源局公布的數(shù)據(jù)，2021和2022年中國(guó)的分布式光伏發(fā)電年新增裝機(jī)容量均高于集中式光伏發(fā)電年新增裝機(jī)容量。

據(jù)中國(guó)光伏行業(yè)協(xié)會(huì)預(yù)測(cè)，從樂觀情況來(lái)看，2030年中國(guó)光伏發(fā)電的年新增裝機(jī)容量最高可 達(dá)3.17億kW，具體如圖8所示。

根據(jù)目前集中式光伏發(fā)電與分布式光伏發(fā)電的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)進(jìn)行保守估計(jì)，2030年二者的年新增裝機(jī)容量都能達(dá)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(duì)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(duì)此類光伏組件的發(fā)電效率造成了限制；而薄膜光伏組件具有優(yōu)異的弱光性，對(duì)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(fā)電能力，其顏色一般為藍(lán)色或黑色，不能滿足建筑對(duì)于外觀的要求。

隨著薄膜太陽(yáng)電池的發(fā)電性能不斷提升、成本持續(xù)下降、產(chǎn)業(yè)鏈日漸完善，未來(lái)可能會(huì)取代晶體硅太陽(yáng)電池成為太陽(yáng)電池的主力軍[9]。在中國(guó)“雙碳”目標(biāo)的穩(wěn)步推進(jìn)下，建筑行業(yè)對(duì)于節(jié)能減排的需求越來(lái)越迫切，而BIPV建筑作為建筑領(lǐng)域?yàn)閿?shù)不多的主動(dòng)降低能耗的方法之一，未來(lái)其受重視程度將會(huì)越來(lái)越高。將光伏組件與建筑相結(jié)合，可有效降低建筑整體用電負(fù)荷，并提高建筑的能源利用率[10]。因此，未來(lái)薄膜光伏組件在分布式光伏發(fā)電中的應(yīng)用份額將會(huì)越來(lái)越高。

3" 展望

目前，晶體硅太陽(yáng)電池因技術(shù)成熟、光電轉(zhuǎn)換效率較高等特點(diǎn)在各種場(chǎng)景均有應(yīng)用，應(yīng)用規(guī)模較大。但其未來(lái)研究方向除了需繼續(xù)在光電轉(zhuǎn)換效率方面突破外，還應(yīng)加快與建筑物相結(jié)合的研究，在不損失自身輸出功率的前提下開發(fā)美觀度更高、顏色更加多樣的產(chǎn)品，為應(yīng)用端提供更多選擇；重點(diǎn)可為對(duì)美觀要求較低的廠房、工廠建筑開發(fā)針對(duì)性產(chǎn)品。

而薄膜太陽(yáng)電池因技術(shù)成熟度不足、建設(shè)成本較高的原因，目前仍停留在示范階段，并無(wú)較大規(guī)模應(yīng)用。因此，未來(lái)此類太陽(yáng)電池研究的首要任務(wù)是提升光電轉(zhuǎn)換效率、降低建設(shè)成本，當(dāng)產(chǎn)品具有相當(dāng)競(jìng)爭(zhēng)力后可發(fā)展商業(yè)化定制產(chǎn)品，以滿足多種場(chǎng)景的應(yīng)用需求。

為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，未來(lái)中國(guó)對(duì)光伏發(fā)電的需求仍會(huì)很大，而光伏產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步、光伏發(fā)電應(yīng)用形式的多樣化無(wú)疑會(huì)為中國(guó)光伏發(fā)電規(guī)?；l(fā)展提供有力支持。因此，無(wú)論是對(duì)于晶體硅太陽(yáng)電池，還是薄膜太陽(yáng)電池，都需要促進(jìn)其技術(shù)繼續(xù)進(jìn)步。

4" 結(jié)論

本文從原材料儲(chǔ)量及制備工藝、光電轉(zhuǎn)換效率、成本、應(yīng)用場(chǎng)景等方面對(duì)晶體硅和薄膜太陽(yáng)電池進(jìn)行了各維度對(duì)比，并對(duì)兩種太陽(yáng)電池的應(yīng)用前景進(jìn)行了分析與展望。分析發(fā)現(xiàn)：晶體硅太陽(yáng)電池具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率及較低的單瓦建設(shè)成本；而薄膜太陽(yáng)電池的技術(shù)成熟度仍需進(jìn)一步提高，包括光電轉(zhuǎn)換效率的提升與單瓦建設(shè)成本的下降。

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Multidimensional Comparative Analysis of c-Si and

Thin-Film Solar Cells

Ren Mu1，Liang Xiaorong1，Chen Wang1，F(xiàn)ang 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