王 冬 肖鵬軍 邱 娟 王精精

（中國(guó)建筑材料認(rèn)證中心有限公司，北京 100024）

（國(guó)家建材工業(yè)太陽(yáng)能光伏（電）產(chǎn)品質(zhì)檢中心，北京 100024）

1 引言

目前，石油、煤、天然氣等化石能源仍是世界的主要能源，在世界一次能源供應(yīng)中約占87.7%，其中，石油占37.3%、煤炭占26.5%、天然氣占23.9%。雖然根據(jù)世界能源統(tǒng)計(jì)報(bào)告的數(shù)據(jù)顯示，世界能源儲(chǔ)量仍在繼續(xù)增加，但人類社會(huì)的能源消耗也是逐漸增長(zhǎng)的。以目前的消耗速度，不需100年，世界的石油和天然氣等能源資源終將枯竭。能源的緊缺提出了對(duì)可再生能源的需求，而太陽(yáng)能作為一種只要太陽(yáng)光能照射到的地方都可以使用的能源受到廣泛的關(guān)注，它的使用已經(jīng)從最初在邊遠(yuǎn)地區(qū)和缺電地區(qū)的使用，逐漸的轉(zhuǎn)移到發(fā)達(dá)國(guó)家城市的使用；從簡(jiǎn)單的使用和安裝太陽(yáng)電池板，到現(xiàn)在能夠把太陽(yáng)電池板和建筑進(jìn)行比較好的結(jié)合，使得太陽(yáng)能光伏發(fā)電得到更廣闊的發(fā)展空間。光伏發(fā)電不消耗化石能源資源和水資源，不產(chǎn)生污染，也沒(méi)有溫室氣體排放，既適合分散使用，也可以集中建設(shè)大型光伏發(fā)電站，為未來(lái)經(jīng)濟(jì)發(fā)展前景的可再生能源打下基礎(chǔ)。因此各國(guó)政府高度重視太陽(yáng)能發(fā)電，并把太陽(yáng)能發(fā)電作為未來(lái)首選發(fā)展方向。

2 太陽(yáng)能發(fā)電的原理和太陽(yáng)能電池的類型

2.1 太陽(yáng)能光伏發(fā)電原理

太陽(yáng)能發(fā)電基本原理就是“光生伏特效應(yīng)”，簡(jiǎn)稱“光伏效應(yīng)”（Photovoltaic effect），是指光照使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬結(jié)合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。簡(jiǎn)單的講就是太陽(yáng)光照射在半導(dǎo)體PN結(jié)上，由于PN結(jié)勢(shì)壘區(qū)產(chǎn)生了較強(qiáng)的內(nèi)建靜電場(chǎng)，因而產(chǎn)生在勢(shì)壘區(qū)中的非平衡電子和空穴或產(chǎn)生在勢(shì)壘區(qū)外但擴(kuò)散進(jìn)勢(shì)壘區(qū)的非平衡電子和空穴，在內(nèi)建靜電場(chǎng)的作用下，各自向相反方向運(yùn)動(dòng)，離開(kāi)勢(shì)壘區(qū)，結(jié)果使P區(qū)電勢(shì)升高，N區(qū)電勢(shì)降低，從而在外電路中產(chǎn)生電壓和電流，將光能轉(zhuǎn)化成電能。這就是光電效應(yīng)太陽(yáng)能電池的工作原理（如圖1所示）。光伏效應(yīng)首先是由光子（光波）轉(zhuǎn)化為電子、光能量轉(zhuǎn)化為電能量的過(guò)程；其次是形成電壓過(guò)程。有了電壓，在合適條件下就會(huì)形成電流的回路。

圖1 太陽(yáng)能發(fā)電基本原理

2.2 太陽(yáng)能電池分類

根據(jù)所用材料的不同，太陽(yáng)能電池主要分為以下幾類：

（1）硅太陽(yáng)能電池

硅太陽(yáng)能電池是目前發(fā)展最成熟的，在應(yīng)用中居主導(dǎo)地位。硅太陽(yáng)能電池分為單晶硅太陽(yáng)能電池、多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池和原子無(wú)序排列的非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池三種。目前實(shí)驗(yàn)室單晶硅和多晶硅的光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)分別達(dá)到25%和20.5%。單晶硅規(guī)模生產(chǎn)時(shí)的效率已經(jīng)大于16%。單晶硅制造過(guò)程極其細(xì)致且緩慢，其內(nèi)部是規(guī)則的晶體結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出可預(yù)測(cè)和均勻的行為特性。多晶硅制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，內(nèi)部晶界的存在阻礙了載流子的遷移，造成了有效的電子空穴復(fù)合點(diǎn)和P-N結(jié)短路，因此降低了電池的性能。非晶硅結(jié)構(gòu)特征為短程有序而長(zhǎng)程無(wú)序的α-硅，光電轉(zhuǎn)換效率最高已達(dá)到13%。，但生產(chǎn)中電池組件的穩(wěn)定效率僅為5.5%-7.5%。

（2）高效III-V族化合物薄膜太陽(yáng)能電池

高效III-V族化合物材料種類繁多，最主要的是砷化鎵（GaAs）電池。 以砷化鎵（GaAs）為代表的III-V族化合物材料有很多優(yōu)點(diǎn)，比如它們具有直接帶隙的能帶結(jié)構(gòu)，光吸收系數(shù)大，具有良好的抗輻射性和較小的溫度系數(shù)。砷化鎵（GaAs）電池，無(wú)論是單結(jié)電池還是多結(jié)疊層電池，其轉(zhuǎn)換效率都是迄今為止最高的。但是由于其價(jià)格昂貴，制備技術(shù)復(fù)雜，導(dǎo)致成本過(guò)高，因此除了空間應(yīng)用外，GaAs電池地面應(yīng)用很少。近年來(lái)，隨著疊層電池轉(zhuǎn)換效率的提高及聚光太陽(yáng)電池技術(shù)的發(fā)展，聚光III-V族化合物太陽(yáng)電池在地面應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

（3）銅銦鎵硒（CIGS）薄膜電池

銅銦鎵硒（CIGS）薄膜電池屬于Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族四元化合物半導(dǎo)體，具有黃銅礦的晶體結(jié)構(gòu)，自20世紀(jì)70年代出現(xiàn)以來(lái)，發(fā)展迅速，目前已經(jīng)逐步產(chǎn)業(yè)化。由于CIGS是一種直接帶隙材料，其可見(jiàn)光的吸收系數(shù)高，因此非常適合太陽(yáng)電池的薄膜化。CIGS吸收層厚度只需1.5-2.5微米，整個(gè)電池厚度為3-4微米。其具有穩(wěn)定性好、基本不衰減；弱光性好、抗輻照性能好、成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn)。大面積電池組件轉(zhuǎn)化效率及產(chǎn)量根據(jù)各公司制備工藝不同而有所不同，一般在10%至15%范圍內(nèi)。CIGS電池是新一代太陽(yáng)能電池的主流產(chǎn)品之一。

（4）染料敏化太陽(yáng)能電池

染料敏化太陽(yáng)電池的原理主要是模仿綠色植物光合作用，把自然界中的光能轉(zhuǎn)換成電能的一種新型太陽(yáng)電池，主要由導(dǎo)電基底材料（透明導(dǎo)電電極）、納米多孔半導(dǎo)體薄膜、染料光敏化劑、電解質(zhì)和對(duì)電極。自1991年染料敏化太陽(yáng)電池取得突破性進(jìn)展以來(lái)，染料敏化太陽(yáng)電池已經(jīng)成為十分活躍的研究領(lǐng)域。其成本低、效率高。技術(shù)門(mén)檻相對(duì)較低。目前染料敏化太陽(yáng)電池有三個(gè)應(yīng)用方向：折疊式移動(dòng)戶外充電設(shè)備、室內(nèi)用充電電池、家庭用屋頂或墻壁用電池。

（5）硅異質(zhì)結(jié)光伏電池（HIT）

HIT太陽(yáng)能電池是一種利用晶體硅基板和非晶硅薄膜制成的混合型太陽(yáng)能電池。這種太陽(yáng)能電池按單位面積計(jì)算的發(fā)電量保持著世界領(lǐng)先水平，通過(guò)在P型氫化非晶硅和N型氫化非晶硅與N型硅襯底之間增加一層非摻雜(本征)氫化非晶硅薄膜,改變了PN結(jié)的性能。因而使轉(zhuǎn)換效率達(dá)到20.7%，開(kāi)路電壓達(dá)到719 mV，并且全部工藝可以在200℃以下實(shí)現(xiàn)。HIT光伏電池具有制備工藝溫度低、轉(zhuǎn)換效率高、高溫特性好等特點(diǎn)。

單個(gè)太陽(yáng)能電池能夠?qū)⑻?yáng)輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能，但是其發(fā)電能力很小，因此工廠將太陽(yáng)能電池按照一定串并連方式聯(lián)結(jié)并封裝，就形成了太陽(yáng)能光伏組件。目前市場(chǎng)上見(jiàn)到的太陽(yáng)能產(chǎn)品大部分是太陽(yáng)能光伏組件。

3 光伏建筑一體化（BIPV）

3.1 光伏建筑一體化的概念

太陽(yáng)能電池在建筑上的應(yīng)用一般分為兩種方式，一類是將光伏方陣依附于建筑物上，充分利用現(xiàn)有建筑物的空閑空間，將建筑物作為光伏方陣載體，起支承作用，一般將這類光伏系統(tǒng)稱之為支架式光伏建筑（Building Attached photovoltaic，簡(jiǎn)稱BAPV）。光伏系統(tǒng)跟這個(gè)房子沒(méi)多大關(guān)系，只是借用了房屋屋頂或立面的面積（見(jiàn)圖2屋頂）。組件與屋頂整合可以最大限度的接受太陽(yáng)光的照射，還可以兼做屋頂?shù)恼陉?yáng)板或者做成通風(fēng)隔熱屋面，減少屋頂夏天的熱負(fù)荷。組件與屋頂?shù)臉?gòu)造做法有兩種方式，一種是兼為屋頂防水構(gòu)造層次的部分，這時(shí)必須要求光伏組件系統(tǒng)具有良好的防水性能，另外一種是單獨(dú)作為構(gòu)造層次位于防水層之上，后者對(duì)于屋頂防水具有保護(hù)功能，可以延長(zhǎng)防水層的使用壽命。

另一類是光伏方陣與建筑的集成（見(jiàn)圖2），比如光伏組件與屋頂、幕墻、遮陽(yáng)系統(tǒng)等結(jié)合或集成，光伏組件作為建筑物的構(gòu)件，變成了建筑物不可分割的一部分，一般將這類光伏系統(tǒng)稱之為光伏建筑一體化（Building Integrated Photovoltaic，簡(jiǎn)稱BIPV）。由于房屋屋頂或立面有較多的受光面積，同時(shí)便于安裝，光伏方陣與建筑的結(jié)合不占用額外的地面空間,因此光伏采光頂或幕墻在國(guó)外得到了廣泛應(yīng)用。

光伏建筑一體化是應(yīng)用太陽(yáng)能發(fā)電的一種新概念，它將各種類型的太陽(yáng)能光伏組件與建筑有機(jī)的結(jié)合，具有減少建筑能耗、節(jié)約占地，提高發(fā)電效率，減少輸電線路的投資和損失，替代或部分替代建筑材料等優(yōu)點(diǎn)。它不是簡(jiǎn)單地將光伏組件和建筑疊加，而是根據(jù)節(jié)能、環(huán)保、安全、美觀、實(shí)用的總體要求，將太陽(yáng)能光伏組件作為一種新型節(jié)能的建筑材料融入建筑領(lǐng)域，使其真正成為建筑的有機(jī)組成部分。

圖2 光伏方陣依附于建筑物上（BAPV）

圖3 光伏方陣與建筑的集成（BIPV）

光伏建筑一體化發(fā)電系統(tǒng)可分為三類：一類是并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，即和公用電網(wǎng)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口相連接，像一個(gè)小型的發(fā)電廠。并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)光伏數(shù)組將接收來(lái)的太陽(yáng)輻射能量經(jīng)過(guò)高頻直流轉(zhuǎn)換后變成高壓直流電，經(jīng)過(guò)逆變器逆變后向電網(wǎng)輸出與電網(wǎng)電壓同頻、同相的正弦交流電流；另一類是獨(dú)立式發(fā)電系統(tǒng)，即在自己的閉路系統(tǒng)內(nèi)部形成電路，將接收來(lái)的太陽(yáng)輻射能量直接轉(zhuǎn)換成電能供給負(fù)載，并將多余能量經(jīng)過(guò)充電控制器后以化學(xué)能的形式儲(chǔ)存在蓄電池；第三類是混合光伏系統(tǒng)，即獨(dú)立發(fā)電+并網(wǎng)發(fā)電的組合形式。

3.2 光伏建筑一體化的發(fā)展

德國(guó)、美國(guó)、法國(guó)、澳大利亞、英國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家擁有相當(dāng)先進(jìn)的太陽(yáng)能建筑應(yīng)用技術(shù)并大規(guī)模應(yīng)用。在德國(guó)和美國(guó)，對(duì)太陽(yáng)能建筑的研究、設(shè)計(jì)優(yōu)化、還是材料、房屋部件結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、應(yīng)用，以及形成商業(yè)運(yùn)作的房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)，均處于世界領(lǐng)先地位，并在形成了完整的太陽(yáng)能建筑產(chǎn)業(yè)化體系。1990年原西德在世界上率先推出“1000屋頂計(jì)劃”，到2000年又推出了10萬(wàn)屋頂計(jì)劃。2009年，德國(guó)屋頂光伏項(xiàng)目占德國(guó)每年新增裝機(jī)的80%。美國(guó)于1997年開(kāi)始實(shí)施百萬(wàn)陽(yáng)光屋頂計(jì)劃，計(jì)劃到2010年完成10萬(wàn)套。法國(guó)、澳大利亞荷蘭等國(guó)家也陸續(xù)制定了本國(guó)的屋頂計(jì)劃。近幾年來(lái)在發(fā)達(dá)國(guó)家已有相當(dāng)發(fā)展水平的“零能房屋”，即完全由太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換裝置提供建筑物所需要的全部能源消耗，真正做到了清潔、無(wú)污染，代表了21世紀(jì)太陽(yáng)能建筑的發(fā)展趨勢(shì)。隨著光伏發(fā)電領(lǐng)域的技術(shù)不斷進(jìn)步，許多國(guó)家（如美國(guó)、德國(guó)）都制定了太陽(yáng)能在國(guó)家總能源消耗中的所占比例應(yīng)超過(guò)20%的計(jì)劃。

我國(guó)BIPV系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)也已取得了很大的發(fā)展。根據(jù)我國(guó)制定的光伏產(chǎn)業(yè)規(guī)劃預(yù)測(cè)：到2020年光伏建筑并網(wǎng)發(fā)電量要占到光伏總發(fā)電量的62.5%（見(jiàn)圖4）。由于我國(guó)建筑光伏一體化起步較晚，因此目前在國(guó)內(nèi)還處于示范階段。

圖4 中國(guó)到2020年的光伏發(fā)電市場(chǎng)份額預(yù)測(cè)

4 BIPV組件設(shè)計(jì)要求

應(yīng)用于建筑光伏一體化系統(tǒng)的光伏組件可以是單晶硅、多晶硅、薄膜電池等各種電池組件，這些光伏組件不僅要滿足光伏發(fā)電的功能要求，同時(shí)還要兼顧建筑的基本功能要求。具體要求如下：

（1）安全性能要求

光伏組件的安全性能主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、選用材料是否符合使用要求；二是光伏組件本身是否滿足安全性能要求。

（2）長(zhǎng)期可靠性設(shè)計(jì)要求

當(dāng)光伏組件應(yīng)用于建筑之后，尤其是應(yīng)用于幕墻時(shí)，組件的長(zhǎng)期可靠性要滿足要求。

（3）產(chǎn)業(yè)化要求

產(chǎn)業(yè)化要求就是組件的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化，產(chǎn)品規(guī)格的統(tǒng)一才能保證設(shè)計(jì)的有據(jù)可依，同時(shí)可以提高生產(chǎn)效率、降低制造成本，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。

（4）發(fā)電應(yīng)用能力

BIPV的應(yīng)用不能僅僅是一個(gè)概念，而是要切實(shí)的應(yīng)用到日常生活中。因此，確保光伏組件能正常發(fā)電，并在發(fā)電基礎(chǔ)上得到充分有效的利用。

（5）建筑節(jié)能

作為綠色和節(jié)能的代表，太陽(yáng)能光伏組件應(yīng)用在建筑上時(shí)，必需滿足原有建筑該部位的節(jié)能要求。

（6）防火性能

由于光伏組件有熱斑效應(yīng)，在發(fā)電的過(guò)程中會(huì)伴隨著發(fā)熱，熱量集聚到一定程度后可能會(huì)引起周圍易燃物的燃燒。此外，光伏組件作為屋面材料或安裝在現(xiàn)有屋面之上時(shí)，這些組件可能暴露在火災(zāi)中，因此需要滿足一定的防火等級(jí)。

5 BIPV的相關(guān)認(rèn)證

目前世界上還沒(méi)有一個(gè)專門(mén)針對(duì)BIPV系統(tǒng)的相關(guān)認(rèn)證，現(xiàn)有的認(rèn)證體系都是針對(duì)光伏組件的產(chǎn)品認(rèn)證，主要有以下幾種：

（1）依據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證

主 要 是 依 據(jù)IEC 61215、IEC 61646、IEC 61730等太陽(yáng)能相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)組件進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果頒布認(rèn)證證書(shū)。歐洲眾多的認(rèn)證機(jī)構(gòu)一般將IEC系列標(biāo)準(zhǔn)作為光伏組件認(rèn)證最主要的技術(shù)依據(jù)，開(kāi)展IEC光伏組件認(rèn)證的機(jī)構(gòu)有德國(guó)萊茵TUV和VDE、荷蘭KIWA、法國(guó)BV、西班牙APPLUS、意 大 利RINA等 等，其 中，TUV認(rèn) 證的知名度最高。

（2）依據(jù) UL標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證

在北美市場(chǎng)上銷售的電子、電器等產(chǎn)品都需要取得安全方面的認(rèn)證。因此出口到北美的光伏組件，需要按照UL1703作安全測(cè)試?？梢园凑誙L 1703開(kāi)展光伏組件認(rèn)證的機(jī)構(gòu)有美國(guó)保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室UL、加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)CSA、天祥Intertek等。

（3）金太陽(yáng)認(rèn)證

“金太陽(yáng)認(rèn)證”是在國(guó)家認(rèn)證認(rèn)可監(jiān)督管理委員會(huì)的領(lǐng)導(dǎo)下，在國(guó)家發(fā)改委、世界銀行、全球環(huán)境基金“建立中國(guó)太陽(yáng)能光伏產(chǎn)品認(rèn)證體系”項(xiàng)目的支持下，對(duì)中國(guó)太陽(yáng)能光伏類產(chǎn)品權(quán)威的認(rèn)證。通過(guò)認(rèn)證的產(chǎn)品允許貼有“金太陽(yáng)”認(rèn)證標(biāo)志。除國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的認(rèn)可外，金太陽(yáng)認(rèn)證得到世界銀行項(xiàng)目的廣泛認(rèn)可。

（4）CCC強(qiáng)制認(rèn)證

國(guó)家認(rèn)證認(rèn)可監(jiān)督管理委員會(huì)于2009年發(fā)布的《安全玻璃類強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證實(shí)施規(guī)則 安全玻璃產(chǎn)品》將光伏夾層玻璃作為特殊的夾層玻璃納入了強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證的范圍。當(dāng)光伏夾層玻璃使用在建筑物的幕墻、頂棚等部位時(shí)，玻璃的安全性能應(yīng)滿足《建筑安全玻璃管理規(guī)定》，即光伏夾層玻璃需要通過(guò)國(guó)家強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證（CCC認(rèn)證）。該認(rèn)證目前只針對(duì)光伏夾層玻璃材料的安全認(rèn)證，沒(méi)有涉及到BIPV光伏組件的電氣安全性能、防火性能等。

如上所述，不論是依據(jù)IEC或UL標(biāo)準(zhǔn)的光伏組件認(rèn)證，還是鑒衡的金太陽(yáng)認(rèn)證和中國(guó)質(zhì)量中心的光伏（PV）產(chǎn)品認(rèn)證，都主要針對(duì)地面電站用光伏組件的認(rèn)證。光伏玻璃的CCC強(qiáng)制認(rèn)證是針對(duì)夾層玻璃材料的一個(gè)安全認(rèn)證，這些認(rèn)證都是獨(dú)立于BIPV系統(tǒng)之外，只針對(duì)光伏組件本身的電性能或者材料安全性能的認(rèn)證，尚缺少一個(gè)可以綜合評(píng)價(jià)組件電性能、電氣安全性能、材料的安全性能、防火性能的BIPV認(rèn)證體系。

6 結(jié)語(yǔ)

BIPV這種新型的建筑應(yīng)用形式是隨著太陽(yáng)能組件的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的，在國(guó)外應(yīng)用廣泛，不僅降低了建筑物能耗，節(jié)約了能源，而且擴(kuò)展了能源選擇。但是由于BIPV出現(xiàn)的時(shí)間相對(duì)比較短，到目前為止，IEC、EN、UL等國(guó)際化組織和認(rèn)證機(jī)構(gòu)還未頒布相關(guān)的BIPV標(biāo)準(zhǔn)，只有德國(guó)VDE剛頒布了一個(gè)BIPV標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，目前世界范圍內(nèi)也沒(méi)有一個(gè)完善的BIPV認(rèn)證制度。這些問(wèn)題的存在給BIPV的發(fā)展帶來(lái)了不利影響，但是隨著廣大科技工作者的深入研究，相信這些問(wèn)題會(huì)得到改善，并使BIPV健康發(fā)展。