得益于技术进步，重新定义了建筑集成光伏系统的环境性能：对中国268个城市进行了生命周期量化分析

《Environmental Impact Assessment Review》：Redefining the environmental performance of building-attached photovoltaics enabled by technological advances: A life-cycle quantification of 268 cities in China

建筑一体化光伏系统在中国268个城市的环境效益评估，更新了硅基与薄膜光伏产品的生命周期排放数据，发现CIGS屋顶系统碳排放最低（18.3g CO?e/kWh），幕墙系统最高（71.8g CO?e/kWh），空间分异显示西北适合集中式光伏，东部北部适合BAPV部署。

　　

魏颖|常媛|魏雅音

中央财经大学管理科学与工程学院，北京102206，中国

摘要

建筑附属光伏系统（BAPVs）通过增加光伏安装量同时减轻土地使用压力，为中国能源转型提供了一条低碳路径。然而，由于技术进步，现有的晶体硅（c-Si）光伏的环境足迹数据大多已经过时，而铜铟镓硒（CIGS）光伏系统在中国仍缺乏地区特定的评估。本研究使用基于过程的生命周期清单模型，并结合中国的最新生产数据和本地能源结构，重新评估了268个中国城市的单晶硅（Mono-Si）、多晶硅（Multi-Si）、CIGS屋顶和CIGS立面系统的温室气体（GHG）、二氧化硫（SO₂）和氮氧化物（NO_x）排放情况。结果表明，BAPVs每年可减少6.62亿吨二氧化碳当量的温室气体排放。虽然CIGS屋顶系统的温室气体减排效果优于c-Si屋顶系统（分别为18.3克二氧化碳当量/千瓦时和19.9克二氧化碳当量/千瓦时），但CIGS立面系统的碳强度显著更高（71.8克二氧化碳当量/千瓦时）。值得注意的是，单晶硅的平准化温室气体排放量低于多晶硅（分别为19.1克二氧化碳当量/千瓦时和20.8克二氧化碳当量/千瓦时），这与之前的结论相反。空间分析表明，以较低的光伏衰减率和丰富的太阳能资源为特征的西北中国更适合建设集中式太阳能电站，而东部和北部中国则更适合部署BAPVs，因为这些地区的安装面积较大。本研究提供了针对中国特定情况的c-Si和CIGS光伏系统的更新环境足迹数据集，有助于当前BAPV技术的选择。减排潜力分析为低碳投资提供了最佳的BAPV部署策略。

引言

2023年，中国的能源相关温室气体（GHG）排放量达到了惊人的122亿吨（国际能源署，2025年），该国实现“碳达峰和碳中和”的目标在很大程度上依赖于减少对化石燃料的依赖。太阳能是一种清洁、低碳的替代能源，有助于推动中国高碳能源行业的转型（吴等人，2022年）。然而，随着太阳能电站建设的增加，稀缺的土地资源已成为一个限制因素（张等人，2023年）；因此，建筑附属光伏系统（BAPVs）有助于缓解太阳能利用与土地使用之间的矛盾。与大规模太阳能电站不同，BAPVs可以利用建筑物的屋顶和立面发电，而无需额外的土地（李等人，2025年）。此外，由于其快速安装、对居民生活干扰小以及与多种建筑类型的兼容性，BAPV系统非常适合大规模改造。这符合中国当前优先发展屋顶光伏的策略（国家能源局，2021年）。因此，推进BAPVs的发展有助于扩大电力供应并实现中国能源系统的脱碳。

全球能源系统的脱碳推动了光伏技术的快速进步。对于晶体硅（c-Si）技术而言，太阳能电池从2017年之前的背表面场（BSF）设计发展到了目前的钝化发射极和背面电池（PERC）设计，最近又向n型电池发展（Stefani等人，2023年）。这种技术进步重塑了c-Si光伏市场。在BSF时代，多晶硅（Multi-Si）由于其成本优势主导了中国的c-Si光伏市场，2017年的市场份额达到了69%（中国光伏行业协会，2017–2023年）。PERC技术的发展释放了单晶硅（Mono-Si）在材料质量和表面钝化性能方面的双重优势（Ballif等人，2022年）。结果，单晶硅的效率提升速度超过了多晶硅，从而改变了它们的成本性能比（2018年单晶硅为10.7美分/千瓦时，多晶硅为12.7美分/千瓦时）（Sofia等人，2020年）。在中国，随着PERC技术的市场份额从2017年的15%上升到2022年的88%，单晶硅的市场份额也从31%增加到97.5%，完成了对多晶硅的替代（中国光伏行业协会，2017–2023年）。同样，薄膜光伏技术以其低衰减率、轻量化和与建筑融合的兼容性继续在制造过程中取得进展（李等人，2024年）。鉴于这些技术驱动的变革，应重新评估最新光伏组件的环境足迹。

为了评估中国制造的光伏产品的当前环境足迹，本研究使用基于过程的生命周期清单模型，重新评估了中国城市层面屋顶和立面光伏系统的温室气体、二氧化硫和氮氧化物排放情况。该评估考虑了传统的单晶硅和多晶硅光伏技术以及新兴的铜铟镓硒（CIGS）薄膜组件。总共研究了268个地级市，这些城市代表了中国分布式光伏推广的试点地区（见图S1，国家能源局，2021年）。通过用BAPV发电替代当地电网电力，估算了BAPV的减排潜力。研究结果为中国的BAPV推广提供了政策方向，并有助于推动该国能源行业的低碳转型。

本文的结构如下：第2节回顾了关于BAPV排放和减排潜力评估的现有文献；第3节描述了用于量化BAPV环境足迹和减排潜力的方法论和数据来源；第4节介绍了单晶硅和CIGS技术的隐含排放和平准化排放，并分析了中国城市间BAPV减排潜力的空间差异；第5节对BAPV环境足迹和温室气体减排潜力进行了敏感性分析，并讨论了政策含义；第6节提供了结论性意见。

部分摘录

c-Si和CIGS的环境排放

现有文献报告的c-Si组件的温室气体排放强度差异很大，单晶硅的排放值在15.2–90.0克二氧化碳当量/千瓦时之间（Pinto等人，2020年；Müller等人，2021年；Santoyo-Castelazo等人，2021年；Urbina，2022年；Alam和Xu，2023年；Badza等人，2023年；Khan等人，2024b）。造成这种范围的原因有三个方法学因素：过时的制造库存数据、不同制造基地的电网结构差异以及系统边界的不一致性。

中国BAPV系统的研究假设和框架

本研究量化了中国三种屋顶光伏系统（单晶硅、多晶硅和CIGS）和CIGS立面系统的环境足迹。所研究的屋顶光伏系统使用了带支架的传统光伏面板，而CIGS立面系统采用了一种呼吸式双层玻璃幕墙结构（即悬挂在空心玻璃幕墙外的光伏幕墙）。一个完整的光伏系统包括光伏组件、相关安装结构和太阳能逆变器。

屋顶光伏的隐含排放：材料层面的比较

在不同类型的屋顶光伏系统中，单晶硅的隐含温室气体排放量最高（114.5千克二氧化碳当量/平方米），其次是多晶硅（109.3千克二氧化碳当量/平方米）和CIGS（88.8千克二氧化碳当量/平方米）。单晶硅、多晶硅和CIGS的隐含二氧化硫排放量分别为0.45千克/平方米、0.44千克/平方米和0.39千克/平方米。同样，CIGS的氮氧化物排放强度最低（0.27千克/平方米），其次是多晶硅（0.33千克/平方米）和单晶硅（0.35千克/平方米）（图1a）。因此，CIGS在屋顶光伏应用中更具环境竞争力。

敏感性分析

本研究使用Crystal Ball软件量化了BAPV系统平准化温室气体排放估算的不确定性（图6）。对于单晶硅，太阳辐射、组件效率和系统寿命分别对结果变化的贡献率为28.9%、28.8%和27.1%。多晶硅的相应贡献率分别为29.0%、28.2%和27.0%。电网电力的二氧化碳强度为

结论

BAPV作为一种关键的低碳解决方案，能够在不增加土地需求的情况下实现城市能源系统的脱碳。由于中国是全球最大的光伏组件出口国，其区域环境数据对于全球BAPV评估至关重要。然而，过时的c-Si排放指标和缺乏中国特定的CIGS系统数据阻碍了基于证据的决策。为了解决这些关键问题，本研究应用了基于过程的生命周期清单模型来重新评估

CRediT作者贡献声明

魏颖：数据整理、正式分析、调查、方法论、可视化、初稿撰写、审稿与编辑。常媛：概念构建、方法论、初稿撰写、审稿与编辑、资金获取、监督。魏雅音：数据整理、正式分析、方法论。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金 [资助编号 72071220]和中央财经大学研究生研究与教学结合支持计划 [资助编号 2024208]的支持。