本文旨在通过对五种常见光伏（PV）系统（单晶硅、多晶硅、非晶硅、碲化镉、铜铟镓硒）的生命周期评价（LCA）研究进行全面回顾，来考察光伏（PV）系统的可持续性和环境友好性能。研究结果表明，在五种常用的光伏系统中，碲化镉光伏系统由于低的生命周期能量需求和较高的转换效率，在能量回收期（EPBT）和温室气体（GHG）排放率方面表现出最佳的性能。同时，由于太阳能电池生产过程中的高能耗，单晶硅光伏系统表现出最差的性能。薄膜光伏系统的能量回收期和温室气体排放率分别为0.75-3.5年和10.5-50g CO2-eq/kWh。单晶硅光伏发电系统的能量回收期一般为1.7-2.7年，温室气体排放率为29-45g CO2-eq/kWh，比化石能源发电的温室气体排放率小一个数量级。本文还对一些先进光伏系统，如聚光、异质结和染料敏化等的能量回收期和温室气体排放率进行了综述。聚光光伏系统的能量回收时间较低，在0.7～2.0年之间，但染料敏化光伏系统的温室气体排放速率高于其它光伏系统。生命周期评价结果表明，光伏技术完全是一种可持续、环境友好的可再生能源技术。随着新技术和生产工艺的进步，光伏技术的环保性能有望持续提高。
图1 太阳能光伏发电
为了更直观地比较不同光伏技术生命周期内的能耗需求，图2总结和比较了以往研究结果。值得注意的是，由于2005年以前光伏行业还没有专门的硅提纯工艺来生产硅原料，同时硅片生产的能耗情况不尽相同，导致前期统计的能耗需求差异较大。因此，对于晶体硅光伏组件，本图仅统计了2005年后的研究结果。可见，薄膜光伏系统的生命周期能耗需求远低于晶体硅光伏系统。
图2 各种光伏系统生命周期的能源需求综述
为了比较不同光伏技术的能源产出效益和环境影响，图3和图4中给出了所研究的5种光伏技术的能量回收期和温室气体排放率的综述结果。出于与图2相同的原因，在总结晶体硅光伏系统的能量回收期和温室气体排放率时，仅考虑2005年之后的研究成果。从这两个图中可以看出，碲化镉光伏系统的能量回收期最短，温室气体排放率最低，而单晶硅光伏系统和非晶硅光伏系统由于其生命周期的能耗需求大，能量转换效率低，所以性能相对最差。
图3各种光伏系统的能源回收期统计
图4 各种光伏系统发电的温室气体排放率统计
结论
本文讨论了五种常用光伏系统（单晶硅、多晶硅、非晶硅、碲化镉、铜铟镓硒）和一些先进太阳能光伏系统（如聚光光伏、异质结太阳能电池和染料敏化太阳能电池）生命周期的能耗总量、能源回收期和温室气体排放率。研究结果总结如下：
1） 由于太阳能电池类型、组件类型、制造工艺和技术、安装方法和地点以及天气等影响因素的变化，不同光伏系统的一次能源需求、能量回收期和温室气体排放率各异。
2） 对于单晶硅光伏发电系统，生命周期能量需求约为2860~5253MJ/m2，能量回收期为1.7~2.7年，温室气体排放率为29-45g CO2-eq/kW h，比化石能源的排放量小一个数量级。
3） 对于多晶硅光伏系统，累计能量需求为2699-5150 MJ/m2， 能量回收期和温室气体排放速率分别为1.5-2.6年和23-44g CO2-eq./kW·h。
4） 对于薄膜光伏系统（非晶硅、碲化镉、铜铟镓硒），生命周期总能量需求为710-1990 MJ/m2，能量回收期和温室气体排放率分别为0.75-3.5年和10.5-50g CO2-eq/kWh。在这三种薄膜光伏系统中，铜铟镓硒一次能源消耗量最大，非晶硅由于转换效率较低而具有最长的能量回收期，碲化镉具有最短的能量回收期和最小的环境影响。
5） 总的来说，单晶硅光伏系统的生命周期能量需求最高，而薄膜光伏系统（尤其是碲化镉和非晶硅系统）的能量需求最低。对于能量回收期，碲化镉光伏系统由于其较低的能量需求和较高的转换效率而具有最短的能量回收期。同时，虽然非晶硅光伏系统的能量需求较低，但其能量回收期较高的原因是其转换效率极低。在温室气体排放率方面，由于太阳能电池生产过程的高能耗强度，单晶硅在其生命周期内会产生更多的温室气体排放。
6） 新的技术和措施有助于进一步降低生命周期能量需求，从而显著降低光伏系统对环境的影响。
作者：彭晋卿1，汪远昊2，3
1.湖南大学土木工程学院
2.南方科技大学工程技术创新中心（北京）
3.北京环丁环保大数据研究院
