琚京蒙 ，趙天宏 （北方工業(yè)大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院，北京 100144）

隨著全球氣候變化帶來的惡果日益顯著，可持續(xù)發(fā)展理念得到更加廣泛的認(rèn)同，在建筑領(lǐng)域表現(xiàn)為綠色建筑的普及。太陽能建筑技術(shù)是綠色建筑的重要應(yīng)用形式，近年來逐步推進(jìn)的光伏建筑一體化（BIPV）技術(shù)打破傳統(tǒng)太陽能建筑技術(shù)附加的形式，開辟了太陽能建筑的新領(lǐng)域。銅銦鎵硒薄膜光伏建筑一體化（CIGS-BIPV），依托銅銦鎵硒（CIGS）薄膜光伏組件的優(yōu)勢，與多項先進(jìn)技術(shù)高度集成，結(jié)合建筑美學(xué)原則進(jìn)行設(shè)計施工，將BIPV的優(yōu)勢充分展現(xiàn)。

1 CIGS-BPIV概述

1.1 CIGS薄膜光伏電池

銅銦鎵硒薄膜光伏電池模塊得名于其材料面層中的銅銦鎵硒吸收層。典型單結(jié)CIGS電池結(jié)構(gòu)是由多個材料面層疊合而成，如圖1所示。因其在薄膜太陽能電池中光電轉(zhuǎn)化效率最高、弱光發(fā)電性能好、功能衰減低。

1.2 光伏建筑一體化（BIPV）

圖1 CIGS薄膜光伏電池

本文光伏建筑一體化（BIPV）是指將光伏電池集成于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，以替代傳統(tǒng)建筑材料。與之相對的另一個類別是BAPV，區(qū)分二者的主要依據(jù)是集成還是附加，BIPV中的光伏組件可認(rèn)為是建筑物結(jié)構(gòu)的一部分，集成到建筑物的設(shè)計中。BIPV組件也可以是建筑裝飾元素，在美學(xué)上具有獨特的視覺效果。BIPV技術(shù)與光伏材料的性能、構(gòu)造施工以及建筑美學(xué)密不可分。

2 銅銦鎵硒薄膜光伏建筑一體化研究現(xiàn)狀

2.1 CIGS薄膜光伏電池研究進(jìn)展

目前光伏建筑一體化的技術(shù)核心集中于光伏電池材料研發(fā)，提升光電轉(zhuǎn)化效率是目前的主要方向。在薄膜光伏電池中，銅銦鎵硒(CIGS)薄膜光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率最高，且在不斷突破之中，量產(chǎn)CIGS薄膜太陽能電池實驗室效率可達(dá)到20%以上，量產(chǎn)光伏組件效率可達(dá)到11%～12%。此外在制作工藝的優(yōu)化，以及柔性電池的研發(fā)方面，也有所突破。

2.1.1 國外研究進(jìn)展

美、日、德三國一直以來就是光伏產(chǎn)業(yè)的強(qiáng)國，在CIGS薄膜光伏電池的研發(fā)方面也一直處于世界領(lǐng)先地位，有很多可以提供CIGS整線制造方案和CIGS設(shè)備的企業(yè)。

CIGS的研究最早可追溯至1999年，美國可再生能源實驗室(NREL)將初代CIS太陽能電池中的部分In替換為Ga，形成效率達(dá)到18.8%的CIGS太陽能電池。

2013年，瑞士材料科技聯(lián)邦實驗室開發(fā)出一種新型CIGS薄膜太陽能電池，光電轉(zhuǎn)化率達(dá)到20.4%。2014年，美國CIGS薄膜開發(fā)商Stion，啟用可擴(kuò)展工業(yè)生產(chǎn)，使原型CIGS電池(20×20 cm)的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到23.2% 。2017年，有學(xué)者對CIGS制備工藝做調(diào)整，在Se氣體氛圍下用堿金屬氟鹽進(jìn)行“沉積后處理”，效率可超過21%。2019年Solar Frontier采用(Zn,Mg)O/Zn(O,S,OH)工藝，提升電池性能，生產(chǎn)出光電轉(zhuǎn)化效率可達(dá)23.35%的薄膜光伏組件。

2.1.2 國內(nèi)發(fā)展概況

在我國，隨著各企業(yè)機(jī)構(gòu)不斷發(fā)展壯大，CIGS薄膜光伏電池研發(fā)有所突破。

漢能控股集團(tuán)通過收購美、德兩國企業(yè)，成為了國內(nèi)市場銅銦鎵硒光伏電池的領(lǐng)軍企業(yè)，旗下現(xiàn)有德國Solibro、美國 MiaSolé、Global Solar Energy 三家全資海外子公司。

2017年Solibro Hi-Tech GmbH研發(fā)的玻璃基銅銦鎵硒 (CIGS)薄膜太陽能冠軍組件，以16.97%的全面積組件光電轉(zhuǎn)換效率刷新世界記錄，并得到了德國科隆TVRheinland測試機(jī)構(gòu)驗證。

2019年MiaSolé和歐洲Solliance太陽能研究機(jī)構(gòu)研發(fā)的柔性太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到23%，建立了一項世界紀(jì)錄（柔性CIGS太陽能電池的效率比玻璃基底電池的效率要低，但它更輕質(zhì)，是建造建筑物曲面的良好材料）。

2.2 銅銦鎵硒薄膜光伏建筑一體化(CIGS-BIPV)技術(shù)研究進(jìn)展

2017年6 月《CIGS太陽能薄膜發(fā)電技術(shù)在光伏建筑一體化中的應(yīng)用》課題獲得立項批復(fù)，課題其中一項成果為《建筑銅銦鎵硒薄膜光伏系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》，覆蓋了銅銦鎵硒薄膜光伏系統(tǒng)應(yīng)用于建筑的全部環(huán)節(jié)。

2018年8 月國家能源集團(tuán)啟動的銅銦鎵硒薄膜光伏建筑一體化項目取得重大進(jìn)展，形成了完整的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略布局。

3 銅銦鎵硒薄膜光伏建筑一體化應(yīng)用現(xiàn)狀——案例研究

隨著眾多科研項目的逐步落實，CIGS-BIPV在實踐應(yīng)用方面也有了一些進(jìn)展。該技術(shù)在建筑設(shè)計領(lǐng)域顯現(xiàn)出獨特價值，CIGS薄膜太陽能的電池組件形式較美觀，且色彩尺寸皆可定制，可形成功能性與藝術(shù)性兼具的建筑表皮。

3.1 廣東惠州碧桂園潼湖科技創(chuàng)新小鎮(zhèn)

廣東惠州市碧桂園潼湖科技創(chuàng)新小鎮(zhèn)是國內(nèi)首座CIGS-BIPV示范項目，于2018年11月2日投入使用。作為一座里程碑式建筑，標(biāo)志著國內(nèi)真正意義上的光伏建筑一體化從理論走向?qū)嵺`，在業(yè)內(nèi)獲得廣泛關(guān)注。

BIPV主要體現(xiàn)在建筑外立面，該項目中2號、6號和7號樓的裝飾幕墻均采用了CIGS薄膜光伏組件。在建筑美學(xué)方面，與BAPV的外掛附加形式相比，顯得精致而簡潔，體現(xiàn)科技感與技術(shù)感，如圖2所示。

在建筑的節(jié)能方面，充分考慮了建筑所處地理位置及太陽能利用效率，每棟建筑按照各自受光情況，分別在不同的立面安裝GIGS光伏玻璃（主要是南面、東面或西面），其他立面采用仿CIGS玻璃替代，3棟樓共安裝2037塊光伏玻璃，充分考慮到節(jié)能與經(jīng)濟(jì)的平衡。

項目建成后年發(fā)電量約為12.3萬kW·h，節(jié)能效果顯著，體現(xiàn)了CIGS薄膜光伏電池的優(yōu)良性能。

此案例經(jīng)BIPV設(shè)計后的建筑立面相比于傳統(tǒng)BAPV具有簡潔、形式統(tǒng)一的優(yōu)勢，表明光伏建材已能夠像普通建材那樣與建筑有機(jī)貼合，為建筑的長期維護(hù)工作帶來便利。但其過度追求與BAPV對立的簡潔形式，缺乏必要的設(shè)計感。此外，該項目采用光伏玻璃與仿真光伏玻璃結(jié)合，在節(jié)能與經(jīng)濟(jì)方面具有一定合理性，但從建筑學(xué)角度來講，違背了材料的真實性原則，也不符合建構(gòu)的邏輯。

3.2 太原市某工廠內(nèi)員工餐廳

山東建筑大學(xué)利用多種軟件輔助，兼顧太陽能利用效率、CIGS薄膜太陽能電池的特性以及建筑形式，為某光伏企業(yè)的項目進(jìn)行BIPV設(shè)計。

該項目位于山西省太原市，是一廠區(qū)的員工餐廳。BIPV設(shè)計運用軟件進(jìn)行前期場地考察，重點分析了太陽輻射特點，作為幕墻單元光伏組件和建筑設(shè)計的依據(jù)。

對于建筑外表皮設(shè)計，首先通過軟件分析立面及屋頂?shù)氖芄鈴?qiáng)度，布置不同規(guī)格和不同數(shù)量的CIGS薄膜太陽能電池板材，主要使用了1190 mm×1580 mm、1190 mm×790 mm兩種型號，第一種主要安裝于屋頂，數(shù)量為635片，第二種則安裝于東西南三個立面上，共483片。而后由于CIGS薄膜太陽能電池不透光的特性，計算了在滿足室內(nèi)采光條件下的光伏光幕墻單元與普通玻璃幕墻的比例，并依據(jù)軟件計算出的最佳朝向控制光伏板放置的角度，體現(xiàn)節(jié)能性與舒適性的結(jié)合。

經(jīng)過BIPV設(shè)計后的方案節(jié)能率為33%，效果顯著，同時又以優(yōu)美的形式充分體現(xiàn)了CIGS薄膜太陽能電池的美學(xué)特性。黑色的光伏幕墻單元與普通玻璃兩種質(zhì)感的材質(zhì)相互穿插交錯，形成一定的韻律感，營造了強(qiáng)烈的現(xiàn)代科技?xì)夥?，展現(xiàn)了一種全新的視覺體驗。

4 結(jié)論

4.1 發(fā)展CIGS-BIPV的優(yōu)勢

銅銦鎵硒薄膜光伏建筑一體化（CIGS-BIPV）的推廣應(yīng)用，將會為太陽能光伏產(chǎn)業(yè)與建筑業(yè)帶來共贏。

第一，CIGS薄膜光伏電池因其電轉(zhuǎn)化效率最高、對太陽能光照強(qiáng)度需求較低等優(yōu)勢，成為各高校相關(guān)專業(yè)與光伏企業(yè)機(jī)構(gòu)重點攻克領(lǐng)域，性能快速提升，具有較大發(fā)展動力與潛力。此外，CIGS薄膜光伏電池得天獨厚的美學(xué)和藝術(shù)特性，受到眾多建筑設(shè)計者們的青睞，有望形成新的建筑美學(xué)觀念，提升城市建筑風(fēng)貌的豐富性與多樣性。這些因素使得在多種光伏電池材料中，CIGS依然是光伏建筑一體化的首選。

第二，在短期內(nèi)，光伏建筑一體化可以為光伏產(chǎn)業(yè)帶來較大的利益。首先，目前中國分布式光伏項目中，光伏與建筑結(jié)合的項目占比約為80%，建筑依然是最主要的載體。其次，我國既有居住面積與工業(yè)建筑面積總量超過800億m3，為BIPV提供巨大的潛在市場。

4.2 發(fā)展CIGS-BIPV需要開拓思路

通過對CIGS-BIPV在國內(nèi)發(fā)展概況進(jìn)行歸納總結(jié)可發(fā)現(xiàn)：國內(nèi)企業(yè)與學(xué)者們都致力于通過改進(jìn)制備工藝和替換部分材料面層中的元素達(dá)到提高薄膜電池質(zhì)量與性能的目的，技術(shù)開發(fā)重點依然停留在材料層面。

在這種背景下，光伏與建筑產(chǎn)業(yè)想要突破瓶頸，需要開拓思路，將研究的重點逐漸從針對材料本身性能的提升向多樣化應(yīng)用方面轉(zhuǎn)移，BIPV具有多種應(yīng)用形式，可以逐步探索與每種形式相對應(yīng)的細(xì)部構(gòu)造方式，還可以與大數(shù)據(jù)人工智能等前沿科技結(jié)合，形成智慧化光伏，如北京海淀公園智慧景區(qū)智能充電座椅，進(jìn)一步發(fā)展為智慧光伏建筑，從一塊組件到一棟建筑再到整個城市，實現(xiàn)能源的智慧化控制。

4.3 發(fā)展CIGS-BIPV需要突破的難點

CIGS-BIPV是一個跨領(lǐng)域的綜合性課題，需要綜合考慮節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、舒適、美學(xué)等多個方面。隨著技術(shù)的普及與成本的降低，節(jié)能舒適經(jīng)濟(jì)等問題可較快得到改善。

但一項技術(shù)是否成熟，很大程度上取決于最終呈現(xiàn)的結(jié)果，如何在設(shè)計中靈活地運用CIGS光伏材料，用新的建筑語言營造一定空間氛圍，是設(shè)計師必須解決的問題。在實際工程中，由于光伏建材具有建筑維護(hù)與發(fā)電的雙重功能，電路與建筑材料的整合具有一定難度?，F(xiàn)階段CIGS-BIPV實際項目較少，相信未來會在實踐中探索出一系列綜合解決問題的解決方案。