CellPress细胞科学 2026-11-06 19:02:23
交叉学科
Interdisciplinary
如何让原本不透明甚至强吸收的光伏材料实现半透明?近日,上海交通大学马涛教授团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Nexus发表综述论文“Beyond Intrinsic Transparency: Spatial Partitioning Strategies for Semitransparent Photovoltaics”,文章以超越材料本征透明性为核心视角,聚焦通过空间分域实现透光与发电功能的技术策略,并从制造过程出发,系统梳理了Top-down与Bottom-up两类技术路线。
1. 当光伏从屋顶走向立面窗户
建筑光伏最常见的应用场景是屋顶。但在高层建筑和高密度城市中,可利用屋顶面积相对有限,建筑立面和窗户正成为进一步拓展太阳能利用空间的重要载体。此时,光伏组件也不再只是附着在表面的发电设备,还需要兼顾建筑构件功能。
这也带来了一个直接的问题:太阳能电池依靠吸收太阳光发电,而透明围护结构需要让光通过,二者如何兼顾?半透明光伏正是在这一需求下发展起来。它既要提供一定的发电能力,也要满足透明建筑构件对透光和视觉效果的要求。这一双重目标决定了它不能照搬常规太阳能电池的设计思路。
图1:半透明光伏典型应用场景
2. 半透明光伏如何实现?
从透射光如何产生来看,半透明光伏大致可以分为三种实现机制:
第一类是材料与器件本身透光。通过减薄吸收层、调节材料吸收特性或使用半透明电极,使部分可见光直接穿过光伏器件活性层。
第二类是调控光的传播路径。借助光谱转换、波导或选择性反射层等外部光学结构,让用于采光和用于发电的光沿不同路径传播。
第三类就是本文关注的分域半透明光伏(Spatially Partitioned Semitransparent Photovoltaics, SSPV)。它不要求光线必须穿过光伏吸收材料,而是在同一器件中区分发电区域与透光区域。因此,晶硅、CIGS、CdTe、钙钛矿等强吸收甚至不透明的光伏材料,仍然可以保留在发电区域,而器件整体的透明度更多由透光区域的空间结构决定。
图2:三类半透明光伏实现机制
3. 分域半透明光伏的发展历程
早期最直接的分域半透明方式,就是在太阳电池片之间预留透光区域,由此形成块状和条带式结构。其中,条带式设计与薄膜光伏的激光划线工艺具有较好的兼容性,至今仍是重要的工业实现路径。
随着半透明光伏应用于窗户、幕墙等对视觉效果要求更高的场景,透明区域的设计从电池片之间转向单片电池内部,分域尺度也随之进一步缩小。在这一尺度下,微孔及其他微尺度图形能够减弱宏观图案的可见性,同时为透明度和视觉效果提供更灵活的设计空间。
近三十年来,围绕微尺度分域结构的实现,研究已经发展出激光加工、刻蚀、以及表面能限域等多种技术。不同技术虽然都能够构建透光区域,但其形成方式却存在明显差异。
图3:1993—2026年代表性微结构分域半透明光伏制造技术发展历程
4. Top-down和Bottom-up两条技术路线
半透明光伏综述往往按照晶硅、钙钛矿、CIGS 等材料体系分类。本文则换了一个视角:按照透明区域的形成方式重新组织分域半透明光伏。因此,现有技术被归纳为两类基本路线:Top-down和Bottom-up。两者最根本的区别是,透明区域是在光伏结构形成之后被加工出来,还是在材料形成过程中直接被定义。
4.1 Top-down:先形成器件,再定义透光区域
Top-down可以理解为一种先完整制备后减材加工的思路。首先形成较完整的光伏材料或器件结构,再通过机械划刻、激光加工或刻蚀等方法,选择性去除或改变部分区域,从而形成透光通道。这种路线的突出特点是几何结构可控。透明区域的位置、尺寸和形状可以被较精确地定义,因此尤其适合结构稳定、能够承受后续微加工的光电材料。
图4:Top-down技术
4.2 Bottom-up:在材料形成过程中直接定义分域结构
Bottom-up则采用了相反的制造逻辑。它不需要先形成完整的光伏层再去除材料,而是通过控制沉积、结晶或组装过程,使光伏材料只在特定区域形成,其余区域自然保留为透光通道。这一思路尤其适合钙钛矿等溶液加工材料,利用材料自身的结晶行为,也可借助物理模板或表面性质引导生长。例如,可控去润湿依靠润湿性差异使液膜退缩,自发形成分离区域;模板限域依靠几何边界约束结晶空间;表面能限域则依靠局部表面能差异引导前驱体优先成核和生长。
图5:Bottom-up技术
5. 从实验室走向建筑:下一步是什么?
分域半透明光伏下一阶段的重点,是进一步提升性能并推动规模化应用。分域半透明光伏能够在发电区域保留高吸收光伏材料,因此,提高发电区域自身的转换效率,是提升器件整体性能的重要途径。高效率钙钛矿/晶硅叠层为此提供了新的方向,并可结合微纳加工策略。另一方面,当器件从小面积样品走向组件尺度后,制造重点也会转向能否稳定、一致地加工出来,加工效率、大面积一致性、良率和成本将成为决定技术能否落地的关键。未来,分域半透明光伏有望从单一发电器件发展为集发电、采光、视觉调控与热管理于一体的多功能建筑能源构件。
作者介绍
论文第一作者为上海交通大学机械与动力工程学院博士研究生余焜,上海交通大学马涛教授为本文通讯作者,合作者包括上海交通大学物理与天文学院沈文忠教授、天合绿建(上海)光伏科技有限公司罗多总工程师等。
马涛教授团队长期开展太阳能利用基础理论、新型光伏器件及可再生能源系统研究,重点围绕光伏光电热耦合仿真、光谱与辐射调控、高效彩色光伏、半透明晶硅光伏及建筑光伏一体化(BIPV)等方向展开,并推动光伏技术向建筑、交通和农业等多场景拓展。团队先后承担国家重点研发计划课题、国家自然科学基金及上海市科研项目等,在新型光伏器件设计与集成应用方面开展了系列研究。
【版权声明】本文内容来源于CellPress细胞科学,版权归原作者及原媒体所有。本站仅作信息分享,不构成任何商业用途;如涉版权问题,请联系本站删除。
发布时间:2026-11-06 17:05:41
(第1/1页/共9524字/1阅)