本文选自国家级期刊《中外能源》，《中外能源》是中央级科技期刊，于1996年创刊，主管单位：中国科学技术协会；主办单位：中国能源研究会；出版单位：《中外能源》杂志社。国内刊号 CN11-5438/TK，国际刊号ISSN1673-579X，双月刊，大16开(210mm×285mm)，每期112页，全年6期，国内邮发代 号：80-674，国际邮发代号：BM4252。被中国期刊网、中国学术期刊、中文科技期刊数据库、中国核心期刊(遴选）数据库全文收录。
摘要：本文对单晶硅、多晶硅、非晶硅三种硅成份的太阳能电池核心组件的原理、性能、应用等方面进行了系统的比较、分析，并对以上光伏组件在光伏建筑一体化（BIPV）中存在的问题进行了描述和总结。
关键词：光伏建筑一体化,BIPV,单晶硅,多晶硅,非晶硅
一前言
随着人类社会的发展，能源的消耗量越来越大，传统石化能源价格不断上涨并日渐枯竭。太阳能作为一种清洁能源，是一种几乎不受地理位置限制，近乎取之不尽的能源。光伏建筑一体化BIPV（BuildingIntegratedPhotovoltaic），将光伏发电技术与传统建筑相结合，既有效降低了建筑本身日益增长的采暖、空调等方面的能耗需求，又充分考虑到建筑本身采光、安全、美学等方面的要求，在国际、国内得到多方面的支持和越来越广泛的应用。
二光伏建筑一体化（BIPV）
1.光伏发电的原理
光伏发电是利用光伏组件的光生伏特效应，将光能转化为电能的一种技术，其核心元件为光伏电池。光伏电池是一种由光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，当太阳光照到半导体光伏材料上时，光伏材料会把光能转化为电能，产生一个较小的电压（0.5-2V），当多个电池串联或并联起来就可以成为有较大输出功率的太阳能光伏组件。
图1展示了一个常见的离网式光伏发电系统：由多路串联的光伏电池并联后组成光伏阵列，产生220V直流电压；220V直流电压通过控制器、逆变器供给负载，或对蓄电池进行充电；在光伏阵列无法提供充足电能情况下（如夜间），控制器切换供电回路，由蓄电池对负载供电；另配备有双路后备交流220V电源，分别在逆变器端和控制系统端，如遇长期阴雨天或光伏组件故障，同时蓄电池也无法提供充足电能，系统在逆变器端的后备220V交流电源能自行启动，供给负载。
图1光伏发电原理图
2.BIPV需考虑的建筑因素
BIPV主要解决的是光伏系统在建筑中的应用，在进行BIPV建设过程中，需考虑与建筑本身相关的多项要素：
①机械性能
常规光伏玻璃的断层结构由外层（晶硅为钢化玻璃，非晶硅多为导电浮法玻璃）、中空层、电池片层、钢化玻璃层组成，BIPV建筑中使用的光伏组件最终是作为建筑的一部分来体现的，整体组件的结构应该是均匀稳定的，并具有相应的机械性能。光伏玻璃组件要求具有一定的厚度和抗冲击性能，应满足IEC61215标准中抗130km/h(2400Pa)风压和抗25mm直径冰雹23m/s的冲击的要求；光伏玻璃组件具有耐热、耐寒、耐湿及一定抗风压能力；光伏电池片层（晶硅或非晶硅）具有良好的粘结性、韧性和弹性，具有吸收冲击的作用，即使玻璃破碎，碎片也会粘连在组件上，不会脱落四散，从而提高安全性。
②物理性能
光伏组件的光学性能主要由其本身的透光率决定，通过调整电池片的排布（晶硅）或电池薄膜的厚度（非晶硅）来调整透光率，以求达到不影响建筑物的外观效果和建筑内部采光（光伏幕墙）的目的。
得益于光伏组件中的中空层，光伏组件具有良好的降噪、隔热能力。
3.BIPV的实现形式
BIPV建筑物能为光伏组件提供足够的面积，不需要另占土地，还能省去光伏组件的支撑结构，其实现形式也是多样的，如平屋顶、斜屋顶、光伏幕墙（立面）等。
①平屋顶
直接在建筑物屋顶平面进行安装，其安装成本较低；可以根据常年光照情况决定安装角度，具有最大发电量；但可能与一些安装在室外的设备发生冲突，如空调室外机组。此种方式在国内BIPV建设中较为普遍，如武昌火车站候车大厅屋顶即采用此种方式。
②斜屋顶
用于具有倾斜屋顶的建筑，南向斜屋顶具有较好的经济性；一般与建筑物原有功能不发生冲突。此种方式在欧洲较为普遍，多用于以家庭为单位的小型光伏发电系统。
③光伏幕墙
光伏幕墙除满足光伏发电的功能外，同时要满足幕墙所有的功能要求，包括透明度、力学、美学、安全等，组件成本较高，光伏发电性能偏低；要与建筑物同时设计、施工和安装，光伏系统工程进度受建筑总体进度制约，施工成本较高；光伏幕墙的组件因考虑较大的透光效果，组件输出功率偏低，发电成本高；但因其良好的外观展示效果和环保概念，在国际、国内的应用范围不断扩大。如北京火车南站、武汉地铁4号线控制中心等建筑部分幕墙均采用此种方式。
三光伏电池简介
制造光伏电池的半导体材料有很多，如硅、硫化镉、砷化镓、铜铟硒等，但目前已得到商业应用的光伏电池主要是硅系列光伏电池，分为单晶硅光伏电池、多晶硅光伏电池和非晶硅光伏电池。
1.单晶硅光伏电池
单晶硅光伏电池的原料为纯度99.9999%以上的单晶硅硅棒，将硅棒制成0.3mm厚的硅片，而后经过成型、抛磨、清洗等工序制成原料硅片，再在原料硅片中掺杂和扩散入硼、磷、锑等微量元素，形成具有光电效应的PN结，最后采用丝网印刷法制成光伏电池的单体片。单个单体片的电压等级较小（0.5V左右），实际使用中需将多个单体片按照要求的规格、尺寸组成太阳能电池板，形成一定的输出功率和电压。在实际使用中，可根据需要，将光伏组件组成大小不同的太阳能电池方阵。
图2单晶硅光伏组件
单晶硅光伏电池是开发较早、转换率最高和产量较大的一种光伏电池，同时也是硅系列光伏电池中转换效率最高的光伏电池。目前投入商业市场中的电池片转换效率可达到15%左右，实验室可达到20%以上，而用于外太空的太阳能电池板效率可达到50%以上。但是，单晶硅组件对硅棒的纯度要求很高，其材料制造工艺复杂，成本较高；单晶硅光伏组件的整体透光率只能通过电池片之间的间隙调节，整体组件颜色、外观不连续，同时若透光率过大，比如造成单体片面积减小，组件功率下降。
2.多晶硅光伏电池
由于单晶硅电池片存在成本较高、制造复杂等问题，在单晶硅光伏电池的基础上出现了多晶硅电池。多晶硅大多是含有大量单晶颗粒的集合体，或用废次单晶硅和冶金级硅材料熔化浇铸而成，其对硅材料纯度的要求大大降低，有效的降低了成本。多晶硅光伏电池片的制造工艺与单晶硅电池类似，但其硅锭可铸成立方体，其切片可加工为方形，提高了电池片的利用率。
目前市场上的多晶硅光伏电池的转换效率可达到12%以上。
图3多晶硅光伏组件
3.非晶硅光伏电池
非晶硅光伏电池是1976年出现的新型薄膜式太阳电池，制作方法与晶体硅太阳能电池不同。最常用的辉光放电法，是在已经抽成真空的石英容器内注入氢气或氩气稀释的硅烷，用射频电源对硅烷加热，使其形成等离子体，非晶硅薄膜就沉积在被加热的衬底上。若硅烷中掺入适量氢化磷或氢化硼，即可得到N型或P型的非晶硅膜。
图4非晶硅光伏幕墙
非晶硅光伏电池因其自身的薄膜特性，外观一致性、连续性较好，通过外层浮法玻璃选择，可以调节外观颜色和透光率，尤其适用于大型幕墙建筑的安装；非晶硅光伏组件的温度系数只有晶硅组件的一半，换言之，其发电效率收到外界温度的影响较小；具有良好的弱光效应，当光线减弱时，其发电效率受到的影响较晶硅组件小。
但是，非晶硅组件也存在缺点：非晶硅光伏电池的转化效率比较低，目前投入市场的非晶硅组件转化效率不到10%；对于BIPV来说，非晶硅光伏组件的尺寸只有1100*1300mm和1100*1400mm两种，尺寸比较固定，且难于切割和拼接，建筑尺寸适应性较差；非晶硅光伏组件的外层为浮法玻璃，而晶硅组件外层为钢化玻璃，所以非晶硅光伏组件的机械强度不如晶硅组件；此外，非晶硅光伏组件随着使用年限的增加，其转换效率的衰减较晶硅组件更加明显。
四实际应用与存在的问题
整体上看，BIPV有节能高效、经济环保等诸多优点，具有巨大的市场潜力。在国内，虽然现阶段已在一些示范工程中得到应用，但成片使用BIPV技术的民宅社区并未出现，其应用范围并不广泛。这是因为光伏建筑一体化仍面临需要解决的一些问题：造价过高，组件的生产制造成本有待降低；虽然目前有相关光伏并网的政策支持，但发电成本仍然较高，达到常规发电成本的2倍以上；光伏发电产生的功率不稳定，容易受天气影响，也不能实现24小时的持续发电。上述问题均是在以后BIPV发展中需要面对和解决的问题。
在实际建设中，需结合所在地的气候特点、建设需求和三种光伏电池的特点综合考虑选用何种光伏组件，以求达到需求、费用两方面的平衡。
