综述：影响光伏电池性能下降的气候因素：区域差异与材料路径

《Applied Energy》：Climate drivers of photovoltaic degradation: Regional variability and material pathways

太阳能光伏系统（PV）在能源转型中部署速度迅猛，但气候因素导致的不均匀降解问题被忽视，影响减排效果。不同气候区域（干旱、湿热、温带）的降解机制差异显著：干旱区主因UV辐射和温度波动，湿热区因水分侵入和电化学腐蚀，温带降解较缓。研究提出整合材料特性与环境应力ors的综合框架，建立气候区差异化的性能评估工具和缓解策略，强调政策制定需纳入“降解意识”以确保光伏系统长期可靠性。

　　

王子阳|刘赛|李健|曹世杰

中国东南大学建筑学院

摘要

太阳能光伏（PV）系统已成为全球能源转型的基石，其部署速度在现代能源史上无与伦比。然而，太阳能带来的气候效益正日益受到区域间不均匀退化的影响——这一风险在规划和政策制定中常常被忽视。虽然光伏发电容量可能正在迅速增加，但温度和湿度的变化、紫外线照射以及极端天气会不断侵蚀发电效率并缩短设备寿命，从而削弱减排目标。不同地区的光伏系统退化原因存在显著差异：在干旱地区，面板在持续的高温和紫外线作用下会加速老化；而在潮湿的热带地区，水分侵入和电化学腐蚀则更具破坏性。这些差异表明，采用一刀切的部署策略是不可行的。区域气候的变异性不仅决定了光伏系统退化的速度，还影响了其退化路径。本文综述了材料特性与环境应力因素如何相互作用加速功率损失，并提出了一个具备气候适应性的设计框架，该框架兼顾了技术可行性、经济可行性和环境适应性。任务非常明确：如果太阳能系统要可靠地实现全球脱碳目标，能源政策必须纳入“退化意识”。

引言

全球能源转型已进入决定性阶段，光伏技术已成为脱碳努力的核心[1]。在《巴黎协定》和国家碳中和承诺的推动下[2][3]，光伏系统的部署速度达到了前所未有的水平[4][5][6][7][8]。预计到2030年，全球光伏装机容量将达到约5600吉瓦[9]，到本世纪中叶，太阳能发电量可能占全球电力供应的一半以上[10]。然而，这一增长背后隐藏着一个悖论：旨在应对气候变化的光伏技术本身却极易受到气候变化的影响[11][12]。

气候因素——从温度波动和湿度变化到紫外线和极端天气——日益被认为是影响光伏性能退化的关键因素[13][14][15][16][17][18]。然而，在能源规划和政策制定中，这些因素的影响往往被低估。现有的统一部署模型通常无法充分考虑光伏系统退化模式的显著区域差异[19][20]。实地数据显示，不同地区的光伏退化速率存在明显差异：温带地区的退化速率约为每年0.90%，而干旱炎热地区的退化速率高达每年1.40%，潮湿炎热地区的退化速率则达到每年1.10%[21]。在干旱地区，高温和强紫外线辐射会加速材料老化；而在潮湿环境中，水分侵入和电化学腐蚀更为普遍[22]。这些不同的退化路径不仅影响光伏系统的发电效率和经济效益，还可能引发恶性循环：随着性能下降，能源系统对化石燃料的依赖性增强，从而产生更多碳排放，进一步加剧气候变化。

全球对光伏系统退化的认识已取得显著进展[23][24][25][26]，最近的大规模评估为不同技术代际建立了新的基准[21]。这些进展越来越多地被纳入对全球太阳能转型的系统分析中[27]，同时新的建模框架不断深化了我们对复杂气候条件下光伏性能极限的理解[28]。尽管研究已经量化了不同全球环境下的材料缺陷模式[29][30][31][32]，但相关文献仍较为分散。现有研究往往孤立地分析各种应力因素，忽略了诸如紫外线-湿度-热效应耦合[33]或机械磨损[34][35]等协同作用机制，这些因素在单一应力测试中难以体现。这种复杂性凸显了加速老化测试（AST）与实际应用之间的差距[36]。此外，尽管迫切需要将退化路径与设备寿命可靠性联系起来以进行准确的生命周期评估，但目前仍缺乏系统的研究方法[37]。因此，一个能够整合气候特定因素、材料响应和政策影响的综合框架仍待探索。

为填补这一空白，本文采用跨学科方法，将气候应力因素与材料及界面响应联系起来，并结合电流-电压（I-V）性能指标和设备寿命进行分析。本文探讨了气候和材料特性在地理环境中的相互作用，建立了针对干旱炎热、潮湿炎热和温带地区的具体退化评估工具，并提出了相应的缓解策略（见图1）。

本文旨在推动具有气候适应性的光伏技术发展，并为制定可持续政策提供依据。通过直面气候特定的退化问题，本文旨在确保太阳能能够充分发挥其作为低碳未来支柱的作用，促进全球能源转型的顺利进行。

章节摘录

光伏材料与退化指标

主流光伏技术使用晶体硅（c-Si）；薄膜光伏技术使用碲化镉（CdTe）或铜铟镓硒（CIGS）。新兴技术，特别是钙钛矿太阳能电池（PSCs），被视为未来光伏发展的关键方向。它们的实际退化速率受当地气候影响[38]。为确保这些技术的耐用性，标准光伏模块通常采用分层结构设计：玻璃基材、封装材料等。

不同气候区域对光伏退化的影响

全球光伏部署与气候密切相关。在亚热带干旱地区，阳光充足，云层覆盖较少，直射辐射强度较高，非常适合建设大型地面光伏电站。相比之下，赤道附近和高纬度地区由于对流强烈和太阳高度角低，可用辐射较弱[69]。因此，新的光伏项目主要集中在高辐射、土地资源丰富的地区。

光伏退化的影响

为了获得更高的年发电量，近年来许多光伏项目被建设在阳光充足的干旱炎热和潮湿炎热地区。然而，在规划和日常运营中，人们对光伏系统的退化速度往往估计不足。高温、高湿度和强紫外线以及风沙侵蚀会加速功率损失，导致实际发电量逐年下降，环境效益也随之降低。本文使用文献中的两个常见指标——功率损失率（PR）和年退化率——来分析这些影响。

气候变化下的部署适宜性

气候因素通过化学和机械作用改变材料及界面的光学特性和导电路径，这些变化会在电流（I_SC）、开路电压（V_OC、填充因子（FF）和最大功率（P_max）等参数中留下明显且稳定的信号。年退化率可以视为这些电学响应的时间累积结果[112]。虽然温带地区的应力较小，整体退化速率较低[113]，但恶劣环境会加速光伏系统的退化过程。

结论

气候差异决定了光伏系统的退化路径和速度。这些因素在电流（I_SC、开路电压（V_OC、填充因子（FF）和最大功率（P_max）等参数中留下明显信号，最终体现在年退化率上。干旱炎热地区主要受强紫外线和温度波动的影响；潮湿炎热地区则以水分侵入和电化学过程为主；温带地区面临的应力相对较小。随着时间的推移，这种功率下降会降低光伏系统的环境效益。

作者贡献声明

王子阳：负责撰写初稿、方法论设计、数据收集、数据分析及概念构建。刘赛：负责审稿与编辑、结果验证、项目监督及资金筹措。李健：负责审稿与编辑、结果验证及数据分析。曹世杰：负责审稿与编辑、项目监督、资金筹措及概念构建。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系。

致谢

本项目的资金支持来自国家自然科学基金杰出青年科学基金（项目编号52225005）和国家自然科学基金（项目编号52578117）。