综述：用于光伏窗户的半透明太阳能电池：材料、性能优化及设计挑战的综述

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Semi-transparent solar cells for photovoltaic windows: A review of materials, performance optimization, and design challenges

本文综述了半透明光伏电池技术进展，分析其结构优化与性能提升策略，探讨规模化应用中的稳定性、成本与环保问题，为建筑光伏一体化提供理论支持与实践指导。

　　

黄宇琪|刘星江|Soteris A. Kalogirou|段晓健|米文森|王俊|焦凯|沈超

哈尔滨工业大学建筑与设计学院，工业和信息化部寒区城乡人居环境科学技术重点实验室，中国哈尔滨

摘要

建筑能耗的持续增长加剧了对可持续能源解决方案的需求，推动了建筑集成光伏技术的快速发展。光伏窗户作为一种多功能技术，能够同时实现发电、自然采光和热管理，已成为提高建筑能源效率的关键途径。本文首先介绍了从传统不透明太阳能电池向半透明器件过渡时提高光透射率的常见策略，并分析了影响其性能提升的关键因素。随后，本文详细评估了六种主流半透明太阳能电池技术——包括非晶硅、碲化镉、铜铟镓硒、染料敏化太阳能电池、钙钛矿和有机太阳能电池——重点关注了它们的器件架构及相应的性能优化方法。值得注意的是，钙钛矿和有机太阳能电池在可见光透射率和功率转换效率的协同优化方面取得了显著突破，展现了巨大的应用潜力。此外，本文还讨论了从实验室研究向大规模商业化过渡过程中必须解决的关键挑战，如可扩展性、稳定性、成本和环境可持续性，并提出了有前景的解决方案。本文旨在为光伏窗户技术的未来发展提供系统性的参考，为提高建筑能源效率和绿色可持续发展提供理论支持和实践见解。

引言

传统化石燃料的消耗近年来不断增加，这不仅加速了资源枯竭，还加剧了环境污染和气候变化问题[[1], [2], [3], [4], [5]]。商业和住宅建筑约占全球能源消耗的40%，这一比例预计会随着城市化和工业增长而上升[[6], [7], [8], [9]]。减少能源消耗和实现碳中和的一个关键策略是利用可再生能源[[10]]。值得注意的是，太阳能由于其易于获取和较高的能量转换效率而优于其他可再生能源[[11]]。建筑集成光伏（BIPV）作为一种提高建筑能源效率并促进向可再生能源转型的关键解决方案，受到了学术研究和工程实践的广泛关注。BIPV系统不仅有效降低了建筑物的运营能耗和碳排放，还与屋顶、立面、外墙和窗户等建筑构件无缝集成，增强了功能性同时保持了美观性[[12], [13], [14]]。作为BIPV系统的关键组成部分，光伏窗户在实际应用中必须平衡多个目标：除了提供足够的自然采光、减少眩光和改善照明均匀性以确保视觉舒适性和光学质量外，还必须具备高功率转换效率以大幅降低建筑物的整体能源需求[[15], [16], [17]]。

目前的太阳能电池技术主要分为三类：晶体硅（c-Si）太阳能电池、第二代薄膜太阳能电池和第三代新兴太阳能电池[[18]]。其中，c-Si电池由于其出色的功率转换效率和成熟的制造技术而主导着全球光伏市场；然而，它们的不透明特性严重限制了其在需要光透射的应用中的使用，例如光伏窗户[[19]]。尽管第二代薄膜太阳能电池（包括非晶硅、碲化镉和铜铟镓硒电池[[20]]具有一定程度的透明度，可以部分满足半透明要求，但它们的半透明器件的功率转换效率（PCE）通常难以超过15%，这限制了其进一步的应用潜力。相比之下，第三代新兴光伏技术（如染料敏化太阳能电池、钙钛矿太阳能电池和有机太阳能电池）在性能上取得了显著突破[[21]]。例如，单结钙钛矿电池的认证效率已达到26.9%[[22]]，有机太阳能电池的效率已超过20%[[23]]。这些在不透明器件中的成就为开发高效半透明光伏窗户奠定了重要基础。然而，为了实现光伏窗户在大规模建筑中的实际应用，仍需持续的研究努力，以开发同时具备高可见光透射率、优异功率转换效率和良好美观特性的下一代半透明太阳能电池。

半透明太阳能电池可根据其光透射机制分为两类：区域选择性透射和透明薄膜透射[[24]]。区域选择性透射技术主要适用于传统的不透明太阳能电池，如晶体硅（c-Si）和碲化镉（CdTe）。这种方法将基底划分为光伏区域和透光区域，以实现视觉上中性的光透射。虽然引入微孔结构可以在一定程度上提高透明度和美观性，但这种方法显著增加了工艺复杂性，并对建筑外观的完整性和视觉一致性产生了不利影响[[25]]。相比之下，透明薄膜透射要求电池的所有功能层（包括电极和活性层）都具有高透明度。在这种配置中，顶部透明电极是必不可少的，而活性层的透明度可以通过两种策略实现：

1. 非波长选择性减薄方法，通过减少活性层厚度来实现光透射，适用于各种类型的太阳能电池；

2. 使用波长选择性吸收剂，例如染料敏化太阳能电池中使用的特定光敏剂或有机太阳能电池中的半导体聚合物，这些吸收剂优先吸收紫外线和近红外光，同时在可见光谱范围内保持高透射率，从而平衡发电和透明度[[26,27]]。

图1展示了不同的光透射技术。

在实验室开发过程中，半透明太阳能电池的性能受到几个关键因素的限制。效率与光透射率之间存在固有的权衡：在区域选择性透射器件中，随着电池间间隙的增大，透射率增加，但效率相应降低；在透明薄膜器件中，使用透明电极往往会导致导电性降低和电荷收集能力减弱，尽管减薄吸收层可以提高透明度，但也会降低光吸收，从而降低短路电流密度[[28], [29], [30]]。此外，理论效率限制也带来了显著约束。根据Shockley-Queisser理论，随着可见光透射率的增加，单结电池的最大转换效率从33.1%降至20.6%，最佳带隙从1.36 eV变为1.12 eV[[31,32]]。实际器件还受到多种能量损失机制的影响——如载流子复合、寄生电阻（包括串联和并联电阻）和寄生吸收——导致实际转换效率远低于理论极限。为了实现商业化应用，仍需克服一系列系统挑战，包括大面积制造（当前高性能器件通常小于1 cm²）、操作稳定性（在恶劣环境条件下的材料降解）、成本（使用昂贵的材料和复杂的工艺）和环境可持续性（例如，组件含有重金属）。

近期关于半透明太阳能电池的综述主要集中在钙钛矿和有机光伏领域，有些研究甚至进一步缩小了研究范围，仅关注高效电极制造或活性层材料设计[[33], [34], [35], [36], [37], [38], [39], [40], [41]]。这种有限的关注范围使得新进入该领域的研究人员难以全面了解其整体进展。与以往的研究不同，本文从建筑集成光伏窗户的实际应用需求出发，系统性地概述了六种主流半透明太阳能电池的技术进步，并对这些不同系统进行了比较分析和综合，特别强调了设备面积和稳定性等关键性能数据——这些方面在现有综述中很少被系统地讨论。此外，本文还详细讨论了与大规模制造和商业化过程中的稳定性要求相关的关键挑战和潜在解决方案，同时指出了实验室性能与实际建筑应用需求之间的差距。

在本综述中，第2节介绍了评估均匀半透明太阳能电池的关键性能指标。第3节系统回顾了第二代传统薄膜技术和第4节第三代新兴光伏技术的主要进展，包括器件架构设计和优化策略（图2），并对比分析了它们的性能。尽管传统半透明薄膜电池的性能提升有限，但它们成熟的制造工艺和规模化经验为开发第三代技术提供了宝贵的见解。最后，第5节总结了优化路径，并对必须解决的关键问题提出了前瞻性观点，以弥合实验室研究与商业应用之间的差距。通过系统分析和综合，本文旨在为光伏窗户技术在建筑中的大规模应用建立坚实的理论基础，并提出实用的技术路径，从而推动该领域的持续创新和发展。

部分摘录

功率转换效率（PCE）

PCE是评估半透明太阳能电池光伏性能的关键参数，定义为电池最大输出功率与入射太阳辐照度的比值，如公式（1）所示。与传统太阳能电池类似，该参数必须在标准测试条件下进行测量（25°C，AM 1.5G光谱，1000 W/m²辐照度）。然而，在实际应用中，PCE性能会受到各种环境因素的影响，包括太阳辐照度、环境条件等

非晶硅（a-Si）太阳能电池

a-Si太阳能电池因其成熟的制造工艺、低成本和较高的光吸收系数而受到广泛关注[[44]]。研究表明，约500 nm的薄膜厚度足以有效收集阳光[[45]]。此外，随着氢含量的增加，它们的光学带隙变宽[[46,47]]，这使得减薄活性层和设计宽带隙a-Si薄膜成为提高性能的可行策略

半透明染料敏化太阳能电池（ST-DSSCs）

染料敏化太阳能电池是一种典型的光电化学器件，通过半导体-电解质界面的电荷转移过程工作。这些器件主要由五个关键组件组成：透明导电基底、介孔氧化物半导体、染料光敏剂和电解质，其中光电阳极是通过将透明导电基底与介孔氧化物半导体结合形成的[[81]]。

结论与展望

半透明太阳能电池技术的快速发展为光伏窗户在建筑领域的广泛应用提供了关键的技术支持。本研究系统回顾了包括非晶硅、碲化镉、铜铟镓硒、染料敏化、钙钛矿和有机太阳能电池在内的半透明光伏器件的研究进展，特别强调了半透明太阳能电池的性能优化路径

利益冲突声明

作者声明以下财务利益/个人关系可能被视为潜在的利益冲突：鉴于我担任该期刊的主编，Soteris Kalogirou未参与本文的同行评审，也无法获取有关其同行评审的信息。本文的编辑过程完全由另一位期刊编辑负责。

致谢

作者感谢国家关键研发计划（2022YFE0133900）的资助支持。