鄭捷元，盛貴章，蔡雪松，趙亞潔，肖秀娣，徐 剛

半透明光伏器件及其應(yīng)用的研究進展*

鄭捷元1,2,3,4，盛貴章1,2,3,4，蔡雪松1,2,3,5，趙亞潔1,2,3,5，肖秀娣1,2,3?，徐 剛1,2,3

（1. 中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2. 中國科學(xué)院可再生能源重點實驗室，廣州 510640；3. 廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點實驗室，廣州 510640；4. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；5. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，合肥 230026）

半透明光伏器件具有優(yōu)異的可見光透光性，可應(yīng)用于建筑玻璃幕墻，有利于實現(xiàn)建筑對太陽能的收集與利用。近年來，通過對材料、結(jié)構(gòu)、工藝等方面的不斷優(yōu)化，半透明光伏器件的光伏性能更接近常規(guī)光伏器件，同時保持了必要的透光性能。然而，單一光伏器件并不能解決建筑熱交換帶來的巨大能源損耗。在半透明光伏器件的基礎(chǔ)上結(jié)合場致變色技術(shù)，可以構(gòu)建光伏智能窗，并將其應(yīng)用于光伏建筑。在理想情況下，該裝置能在光照下改變其對入射光的透射率并收集光能進行發(fā)電，同時有效地減少建筑供能和玻璃換熱所造成的能量損失。從半透明光伏器件的研究進展出發(fā)，簡要回顧了半透明光伏器件與光伏智能窗的一些重要研究成果，總結(jié)了各類器件的主要優(yōu)化方案與性能優(yōu)劣。最后，對半透明光伏器件與光伏智能窗的應(yīng)用前景進行了展望。

光伏建筑一體化；半透明光伏器件；光伏電致變色智能窗；光伏熱致變色智能窗

0 引 言

中國建筑節(jié)能協(xié)會2020年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)下我國建筑全壽命周期能耗總量為21.47億tce（噸標(biāo)準煤當(dāng)量），占全國能源消費總量的46.5%，其中碳排放量為49.3億t CO2，占全國碳排放量的51.2%[1]。社會經(jīng)濟增長一直伴隨著對能源危機的憂慮，減少生產(chǎn)生活對化石燃料的依賴對緩解人與自然的矛盾至關(guān)重要，在對新能源的研究中，太陽能以其清潔且取之不盡的優(yōu)勢，受到研究者們的廣泛關(guān)注。根據(jù)建筑多輻照多耗能等特點，科學(xué)家們基于太陽能發(fā)電技術(shù)而設(shè)計出的光伏建筑一體化（building integrated photovoltaics, BIPV）戰(zhàn)略是有望解決建筑能耗問題的理想方案。

傳統(tǒng)的光伏（photovoltaic, PV）器件，如硅晶電池，CIGS電池等，因其需滿足必要的光吸收要求，不可避免地影響了玻璃的透光性，這類器件的局限性影響了其在建筑玻璃幕墻的推廣應(yīng)用。相比之下，半透明光伏器件（semitransparent photovoltaic, STPV）的提出實現(xiàn)了玻璃透光和供能之間的平衡。研究者們通過將透明電極與透明光伏活性層結(jié)合，使整個器件擺脫了發(fā)電不透光的弱點，適合光伏建筑一體化戰(zhàn)略構(gòu)想。隨著對STPV研究不斷深入，科研人員提出的優(yōu)化方案往往能在器件透明的基礎(chǔ)上，進一步提高器件的光伏性能。除此之外，一些功能性設(shè)計如有色透明光伏器件、柔性透明光伏器件等也展示了STPV在更多領(lǐng)域的潛力以及適應(yīng)于建筑的多元可能性。

然而，多數(shù)建筑能耗不僅來源于建筑供能。對建筑能耗而言，玻璃幕墻熱交換帶來的能耗是不可忽視的一部分。針對這個問題，研究者們設(shè)計出了一系列的節(jié)能玻璃，如著色玻璃、低輻射玻璃和智能玻璃，這些節(jié)能玻璃或通過引起玻璃對光的選擇性吸收，或通過降低玻璃的熱輻射率，降低熱交換能耗以達到節(jié)能效果。

其中應(yīng)用了智能玻璃的變色智能窗則是一種具備智能調(diào)光功能的器件，其在外場刺激下能有效調(diào)控玻璃的透明度，降低太陽光的透過率。根據(jù)場致變色技術(shù)的不同，研究者們開發(fā)了氣致變色智能窗[2]、光致變色智能窗[3]、熱致變色智能窗[4]、電致變色智能窗[5]等。電致變色玻璃通過外加電場實現(xiàn)玻璃內(nèi)電致變色層的離子嵌入，以達到變色的效果。氣致變色玻璃則通過交替通入O2和H2實現(xiàn)漂白著色循環(huán)。光致變色玻璃則不需要額外的電場或氣體激勵，其使用的光致變色材料可在紫外光照射下實現(xiàn)著色，在光源停止照射后恢復(fù)漂白態(tài)。熱致變色玻璃同樣無需外部能源的激勵，通過環(huán)境溫度的變化即可實現(xiàn)變色漂白循環(huán)。這些變色技術(shù)從20世紀末開始就不斷被研究及完善，部分已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

半透明PV器件的發(fā)展與場致變色技術(shù)的完善使研究者找到解決建筑供電與熱交換能耗的“一體化”方案。將電致變色器件（electrochromic device, ECD）與STPV器件集成為一個器件并用于建筑玻璃幕墻，理想狀態(tài)下可以極大程度地降低建筑供電與熱交換帶來的能耗。光電致變色器件（photoelectrochromic device, PECD）便是實現(xiàn)這種構(gòu)想的重要設(shè)備，該器件通過光伏單元吸收光照，形成穩(wěn)定電流為電致變色單元供能，使整個器件在工作狀態(tài)下實現(xiàn)著色/漂白切換。PECD是在STPV的基礎(chǔ)上實現(xiàn)調(diào)光變色功能突破的器件，其衍生的光伏電致變色智能窗也因此成為光伏建筑一體化戰(zhàn)略的關(guān)鍵[6]。不僅如此，通過優(yōu)化PECD的結(jié)構(gòu)，可以得到光伏與著色性能更強的光伏變色器件（photovoltachromic device, PVCD），其相比于常規(guī)PECD具有更大的節(jié)能優(yōu)勢[7]。此外，通過結(jié)合STPV與熱致變色玻璃得到的光伏熱致變色智能窗，具有高溫變色發(fā)電、低溫漂白透明的功能特點，在理想狀態(tài)下能帶來更高的光伏性能及光學(xué)調(diào)制[8]。光伏熱致變色智能窗的問世也為解決建筑供電及熱交換能耗，實現(xiàn)BIPV戰(zhàn)略指引了新的方向。

本文將綜述半透明光伏器件與光伏智能窗（smart photovoltaic window, STW）的研究情況，總結(jié)用于光伏建筑一體化器件的改善方案與優(yōu)化效果，為當(dāng)下光伏玻璃幕墻的研究梳理一些重要的研究成果。

1 半透明光伏電池研究現(xiàn)狀

在與電致變色模塊整合用作光伏智能窗的方案被提出之前，半透明光伏電池被作為BIPV戰(zhàn)略的核心支撐技術(shù)受到廣泛關(guān)注及深入研究。與一般的光伏電池不同，半透明光伏電池在保證供能所需的光吸收的同時還要兼具一定的透明度，一般以可見光區(qū)的平均透光度（average visible transmittance, AVT）來衡量。最初的半透明光伏電池是通過分割電池組塊，使其分散在透明基板上實現(xiàn)的，這種技術(shù)普遍用于單晶硅電池與CIGS/GaAs等薄膜太陽能電池。然而，利用分割組塊技術(shù)在大面積的透明襯底上集成光伏器件，其繁瑣工藝和器件成本限制了這類器件在透明玻璃中的廣泛應(yīng)用。一些新生代的太陽能電池如染料敏化太陽能電池（dye-sensitized solar cell, DSSC）、非晶硅薄膜電池、有機太陽能電池（organic photovoltaic cell, OPV）、鈣鈦礦太陽能電池（perovskite solar cell, PSC）等，這些產(chǎn)品以其各有的特點與優(yōu)勢，如光電性能優(yōu)異、成本廉價、穩(wěn)定性好、兼具機械性能等，受到更多研究者的關(guān)注與市場的青睞。同時，隨著對半透明光伏電池研究的不斷深入，光伏電致變色智能窗的潛力也將被更好地發(fā)掘。

1.1 半透明DSSC的研究

1991年，O’REGAN等[9]將釕基染料用于敏化TiO2介孔薄膜并組成光陽極，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計了DSSC，該器件以其高度透明的特點及高光電轉(zhuǎn)換效率優(yōu)勢受到光伏研究者普遍關(guān)注。在此之前的DSSC都無法在保持透光性的基礎(chǔ)上兼具優(yōu)良的光伏性能，并未得到研究者的重視。進入21世紀后，隨著對DSSC的研究不斷深入，這種電池在透明性和光伏效率層面上展現(xiàn)的優(yōu)勢，體現(xiàn)了其在BIPV應(yīng)用上的潛力。

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的DSSC由含染料的透明光陽極、對電極以及包含氧化還原對（redox）的電解質(zhì)構(gòu)成。包含染料吸附層的光陽極基底一般采用全透明孔結(jié)構(gòu)材料，如TiO2、ZnO等，這些材料的減薄技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，且對染料具有較強的吸附作用。開發(fā)兼具高度透明和一定光伏性能DSSC的主要思路集中在對電極、光敏染料、適配電解質(zhì)的改進。而改善器件透明性的關(guān)鍵部分則是對電極，研究者們致力于開發(fā)足夠透明且具有高催化活性的對電極，為DSSC用于光伏建筑玻璃幕墻帶來可能性。

薄膜Pt電極以其電荷傳輸性能高、電催化性能好等優(yōu)勢被廣泛用于DSSC對電極。2010年，LEE等[10]分析了不同厚度的納米Pt對電極，證明了納米結(jié)構(gòu)電極比一般的薄膜電極具有更好的電荷傳輸性能。其中厚度為1.4 nm的納米對電極達到了75%的透明度，用其裝配DSSC，光電轉(zhuǎn)換效率（power conversion efficiency, PCE）高于6%，且在引用Al薄片反射層后，器件的PCE提高至7.9%。2014年，IEFANOVA等[11]以噴霧沉積法在熱襯底上沉積了Pt納米顆粒，對電極的透明度高達80%，此時器件的效率達到6.17%。然而，Pt電極帶來高效電導(dǎo)與催化性能的同時，也因其高昂的成本限制了實際應(yīng)用。研究者們不斷尋求成本低廉、工藝簡單且具備高電荷傳輸性能的材料作為DSSC對電極，有望替代Pt材料作為對電極的材料有碳基材料、導(dǎo)電聚合物和無機非金屬基材料等。

碳基材料以石墨烯和碳納米管為代表，這類材料雖普遍具有優(yōu)異的電導(dǎo)性并且價格低廉，但卻無法滿足透明度要求，且缺乏對碘系電解質(zhì)的催化位點。2013年，BU等[12]以原位碳化法制取了碳基對電極，該對電極不但具備優(yōu)異的電荷傳輸性能與催化活性，其AVT也達到了70%。聚合物對電極則以聚苯胺（polyaniline, PANI）、聚吡咯（polypyrrole, PPy）、聚乙烯二氧噻吩［poly(3,4-ethylenedioxythiophene), PEDOT］等材料為代表。2013年，HWANG等[13]使用有機單晶表面誘導(dǎo)聚合化學(xué)氧化物法合成了超薄PPy納米片，并將其用于DSSC對電極，該對電極保留了同等條件下Pt電極94%的透明度，且器件的PCE十分接近Pt裝配的電池。2014年，SONG等[14]將SiO2復(fù)合PEDOT:PSS組成對電極，制備的對電極AVT達到了80%，同時具有4.6%的PCE，比純相PEDOT:PSS薄膜電極提升了55%。這些研究通過對薄膜對電極進行特殊的工藝處理，在保證其高度透明的基礎(chǔ)上，進一步提高了催化活性，為整體器件的光伏性能提供了良好基礎(chǔ)。

無機非金屬基材料對電極具備電導(dǎo)與成本優(yōu)勢。2013年，WANG等[15]介紹了FeS2納米墨對電極，該對電極在300 ～ 800 nm光區(qū)都能保持50% ～ 70%的透明度，用其裝配的電池PCE可達7.31%，且相比Pt對電極更適用于柔性設(shè)備。同年，DUAN等[16]將過渡金屬與Se組成合金透明對電極，這些過渡金屬包括Co、Ni、Fe、Cu、Ru。所有合金對電極在可見光區(qū)均具有70%以上的透明度，其中以Ru0.33Se作為對電極的設(shè)備表現(xiàn)出最高光伏性能，PCE達到9.22%。該文章認為這類無機非金屬對電極有望成為PSC的背電極，為PSC的優(yōu)化提供額外的方向與思路。總體而言，非鉑金屬電極作為Pt電極的替代品，具有優(yōu)異的催化活性和電導(dǎo)性能，且不需要繁瑣復(fù)雜的合成工藝，有望在實際生產(chǎn)中接替Pt作為DSSC對電極的新材料。

除對電極以外，染料在可見光區(qū)的吸收峰也會阻礙器件的透明度。即使對電極能做到極高的透明度，但整體器件往往很難在保證高效光伏輸出的同時，保留高度透明性?；谌玖系脑O(shè)計，2014年，ZHANG等[17]混合調(diào)配了紫外吸收染料與紅外吸收染料，混合染料在人眼光敏波段幾乎沒有光吸收，整體器件的AVT高達60.3%，此時器件的效率為3.6%（圖1）。文章對比了混合染料與常用染料N719在相同效率下的透明度，結(jié)果表明混合染料的透明性更好。此外，碘系電解質(zhì)在電池工作中伴隨生成碘單質(zhì)的副反應(yīng)，會引入額外的吸收峰，影響器件透明度。KAVAN等[18]將Co系電解質(zhì)替代碘，裝配的器件在550 nm處有66%的光學(xué)透過率，且具有9%的PCE，該研究組還證明了Co系電解質(zhì)更適用于碳基對電極，為碳基對電極的優(yōu)化提供了方向。對半透明DSSC而言，器件透明程度與光伏性能的平衡是優(yōu)化研究者應(yīng)該重點考慮的問題，進一步提高兩個性能的平衡點有利于將DSSC用于光伏智能窗時為變色工作穩(wěn)定供能，同時保證優(yōu)異的光學(xué)調(diào)制性能。

1.2 半透明OPV的研究

半透明OPV是利用有機物作為光活性材料的太陽能電池，一般具有吸收系數(shù)大、電荷傳輸性能好、工藝簡單、成本低廉等優(yōu)勢。除此之外，有機物較好的機械性能與液相制備使其便于通過卷對卷印刷的方式制備大面積柔性器件。為了將OPV用于光伏建筑與玻璃幕墻，研究者們主要通過使用透明電極、改良半透明活性層、納米光子反射層三個方向?qū)崿F(xiàn)器件透明，并在保證透明的基礎(chǔ)上提高光伏性能。

氧化銦錫（indium tin oxide, ITO）作為用于OPV的最廣泛電極材料，具有高度透明、電導(dǎo)率高等優(yōu)勢。然而，ITO本身高昂的成本限制了其實際應(yīng)用，且其高度脆性與易斷裂的特點也無法發(fā)揮OPV用于柔性器件的潛力。研究者們設(shè)計了其他透明電極材料，包括碳納米管[19]、石墨烯[20]、金屬微網(wǎng)[21]和導(dǎo)電聚合物。其中，作為導(dǎo)電聚合物的PEDOT:PSS以其對水或溶液的均勻分散及易于涂覆、透明度高等優(yōu)點受到研究者的關(guān)注，研究認為，其經(jīng)過一些特殊處理后有助于提高該材料的電導(dǎo)率。XIA等[22]將六氟丙酮多次摻入PEDOT:PSS薄膜，提高了其導(dǎo)電性能。薄膜的AVT高達83%，器件的PCE也達到3.57%。SONG等[23]將多羥基木糖醇摻入PEDOT:PSS，并用甲磺酸對膜進行表面后處理，整體器件的AVT能達到21%，此時器件具有10.53%的PCE。同時，該器件具有良好的可折疊性能與機械穩(wěn)定性，具有用于半透明柔性設(shè)備的潛力。

活性層的透明度對整體器件透明性起決定性作用，用于OPV的半透明活性層材料由給體材料與受體材料混合組成。其中以PC61BM與PC71BM為代表的富勒烯衍生物是最早使用的受體材料，這類材料以其電子遷移率高、親和勢高等特點在受體材料中占據(jù)統(tǒng)治地位，與其適配的給體材料主要是噻吩類聚合物，包括聚3-己基噻吩［poly(3-hexylthiophene), P3HT］和聚雙噻吩?苯并噻二唑［poly{2,6-[4,4-bis-(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta (2,1-b;3,4-b′)dithiophene]-alt-4,7(2,1,3-benzothiadiazole)}, PCPDTBT］等。2010年，AMERI等[24]設(shè)計了倒置結(jié)構(gòu)的半透明OPV，引用P3HT:PC71BM為活性層，器件視覺透過率能達到30%以上，但PCE最高只能達到2.3%，同時通過光學(xué)模擬證明了PCPDTBT:PC60BM作為活性層能帶來更高的透明性。2012年，CHEN等[25]將噻吩類聚合物PBDTT-C-T與PC71BM混合組成活性層材料用于半透明OPV，并使用了MoO3/C60作為電子/空穴傳輸層，通過改變頂電極Ag薄膜的厚度可以得到不同透光性與光伏性能的器件。器件最高的AVT超過25%，此時PCE能維持在6%左右，且器件具有良好的透射光中性色，顯色指數(shù)接近100（圖2）。除了這些基于富勒烯衍生物的活性層材料，近些年來一些非富勒烯受體材料也憑借其相對紅移的吸收峰帶來可見光區(qū)的優(yōu)質(zhì)透明性，受到半透明光伏研究者的重視。2019年，XIE等[26]設(shè)計了基于PDTP-DFBT與八烷基非富勒烯受體材料混合的紅外吸收活性層材料，得益于兩種窄禁帶材料在紅外光區(qū)的強吸收與可見光區(qū)的弱吸收，器件能實現(xiàn)高達52%的視覺透過率，此時PCE為4.2%，若使用MoO3–Ag–MoO3電極，器件的視覺透過率能進一步提高到61.5%。這些研究表明，實現(xiàn)活性層在可見光區(qū)透明的方式不只是以犧牲光伏性能為代價的機械減薄，通過設(shè)計以紅外吸收為主而盡可能規(guī)避可見光吸收的活性層材料，或許是保留器件光伏性能的同時，實現(xiàn)高度透明的更好方案。

在頂電極上方構(gòu)筑納米光子反射層能使器件選擇性地反射近紅外光，同時透過可見光，是在保證器件透明的基礎(chǔ)上，進一步提高光伏性能的有效方案。2018年，SUN等[27]通過在Ag電極上方交替沉積MoO3/LiF，向器件引入分散式布拉格反射層，器件的可見光區(qū)透過率維持在25%左右，且對紅外光的阻隔率達到80%，器件的PCE可達到6.8%。同樣，LIU等[28]在頂電極上方沉積了一維納米光子反射層結(jié)構(gòu)，并測試在不同入射角度下的器件性能。在入射角為50°時，得到了9.67%的PCE，此時平均視覺透過率也大于50%。這些研究展示的光子反射層大多是用于以非富勒烯材料為活性層的器件，這類結(jié)構(gòu)不僅能起到輔助增加光吸收的作用，而且實現(xiàn)了對近紅外光的額外吸收，增強了器件對紅外光的調(diào)制作用。這種性能賦予了半透明OPV一定的光學(xué)調(diào)制能力，對探索具有智能隔熱功能的OPV器件并用于光伏建筑玻璃幕墻至關(guān)重要。

圖2 不同銀電極厚度的ST–OPV透射光譜[25]

半透明OPV憑借材料與功能的多樣性，兼具工藝簡單與成本低廉的優(yōu)勢，在半透明光伏領(lǐng)域中充滿潛力與可能性，若將其運用于光伏智能窗，其特殊的紅外吸收能力與可見調(diào)制不形成競爭關(guān)系，或能達到透明程度與光伏性能較為理想的效果。

1.3 半透明PSC的研究進展

PSC即以鈣鈦礦半導(dǎo)體材料作為光吸收活性層的太陽能電池，最早由KOJIMA等[29]報道。該研究組將有機/無機復(fù)合鈣鈦礦材料作為光吸收劑，并指出該材料的光吸收率接近普通染料的十倍。此后，PSC以其高效吸收、成本低廉、工藝簡單等特點吸引眾多研究者關(guān)注。然而，由于鈣鈦礦材料存在固有的紅棕色，典型的PSC并不具備透明性，這將影響到電池應(yīng)用于BIPV的可行性。典型的PSC器件包括頂/背電極、鈣鈦礦活性層、電子/空穴傳輸層共五層結(jié)構(gòu)，要將PSC器件應(yīng)用于建筑窗戶，重點是要保證鈣鈦礦活性層與電極都是透明的。實現(xiàn)鈣鈦礦活性層在可見光區(qū)透明，其可行方案之一是削減鈣鈦礦層厚度。2015年，GASPERA等[30]報道了一種鈣鈦礦活性層厚度僅為50 nm的PSC，該PSC的AVT最高可達到31%，當(dāng)厚度增加至300 nm時，雖然PCE可以達到13.6%，但器件的AVT也降至7%。同樣依照減薄的結(jié)構(gòu)策略，UPAMA等[31]在2019年設(shè)計了一種n-i-p結(jié)構(gòu)的PSC，當(dāng)MAPbI3層僅為40 nm厚時，實現(xiàn)了9.3%的效率，此時AVT為14.1%。單方面的減薄策略從產(chǎn)能收益來看并非最優(yōu)解，另一個可行的結(jié)構(gòu)設(shè)計策略則是通過降低活性層覆蓋率實現(xiàn)透明或中性色。2014年，EPERON等[32]報道了具有“島”狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的PSC薄膜，該PSC最高AVT可達30%，PCE為3.5%，且具有良好的中性色，避免了鈣鈦礦薄膜偏紅棕的特點（圖3）。同樣，該研究組在2015年介紹了一種SiO2蜂巢結(jié)構(gòu)，將鈣鈦礦摻入其中[33]。該結(jié)構(gòu)能有效分離電子/空穴傳輸層，避免了分流電阻的產(chǎn)生，制備的薄膜AVT能達到37%，PCE也高于9%。同年，AHARON等[34]報道了一種絲網(wǎng)印刷自組裝法制備的PSC，通過控制網(wǎng)格超結(jié)構(gòu)鈣鈦礦的開口大小與前驅(qū)體溶液的濃度，可制取不同透光程度和光伏性能的PSC薄膜。薄膜最高可達到64%的透光度，但此時PCE僅為0.38%。

圖3 （a）薄膜去濕過程示意圖；（b）在涂層FTO襯底上的島狀鈣鈦礦薄膜的頂表面掃描電子顯微圖；（c）玻璃上的島狀半透明鈣鈦礦薄膜照片，展示了中性色和半透明；（d）光敏層的平均可見光透過率與鈣鈦礦表面覆蓋關(guān)系；（e）去濕鈣鈦礦器件的光敏層透射光譜[32]

顯然，對于半透明光伏器件而言，透明程度與光伏性能存在相互取舍的平衡關(guān)系。即使PSC具有高效吸收的能帶優(yōu)勢，相比傳統(tǒng)晶硅電池更能實現(xiàn)高透明，研究者們?nèi)灾铝τ趯⒃撈胶恻c向上突破。鈣鈦礦材料成膜時容易引進針孔，這在增加光散射而降低透明度的同時，也容易引入不必要的分流支路，削弱器件的光伏性能。針對該問題，H?RANTNER等[35]在2016年分析了具有島狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的PSC，認為去濕法工藝在制膜過程中留下的針孔會削弱光吸收能力。該研究提出了一種濕化學(xué)法工藝，使用十八烷基硅烷分子處理鈣鈦礦，并證明其能有效填充TiO2-鈣鈦礦界面的針孔從而阻斷電流分離，同時不會影響空穴傳輸性能。改進后的PSC具有40%的AVT，且PCE能達到6.1%。同樣，DOKKHAN等[36]于2019年報道了一種在成膜過程中加入可膨脹聚合物作添加劑的工藝，以微凝膠形成Pb配位從而鈍化鈣鈦礦，可以減少在成膜時針孔的形成。在此基礎(chǔ)沉積的PSC薄膜AVT最高達到46.8%，同時PCE為7.69%。2021年，WANG等[37]通過引用氯亞甲基二甲基氯化銨［(chloromethylene)-dimethylammonium chloride, CDCL］作為CsPbI2Br的成膜添加劑，提高了鈣鈦礦的成膜質(zhì)量，有效減少了體相復(fù)合。得益于無機鈣鈦礦的寬禁帶性質(zhì)，由該材料組裝的器件能在保證光伏性能的同時，具有較為可觀的透明度。器件PCE最高可達到16.9%，且當(dāng)器件具備40.9%的AVT時，仍能維持超過10%的效率。同年，GUNES等[38]研究了三維雙陽離子鈣鈦礦電池，指出在雙陽離子鈣鈦礦層與空穴傳輸層之間沉積基于噻吩并噻吩的有機陽離子層，能更好地提取光生空穴，并使器件的填充因子得到有效提高。基于這種結(jié)構(gòu)的半透明光伏器件，其PCE可達17.9%，實現(xiàn)了目前半透明雙陽離子PSC的最高效率。綜上可知，目前對鈣鈦礦電池的研究還不夠深入，半透明PSC在透明程度與光伏性能間將有更佳的平衡點等待突破。

此外，對透明電極的研究也極大地推動了半透明PSC向更高效突破。一般透明電極材料使用透明金屬、透明導(dǎo)電玻璃、金屬微網(wǎng)及碳納米管等，可助力形成高透明的PSC器件，但各自都存在一些瑕疵，如電極電導(dǎo)率低或成本高昂等。GASPERA等[30]最先介紹了一種基于電介質(zhì)?金屬?電介質(zhì)（dielectric-metal-dielectric, DMD）材料的透明電極，以MoO3作為電極材料，通過增加電介質(zhì)背電極的厚度，器件最高PCE可達到13.6%，且不會影響器件的透明性。2016年，OU等[39]同樣引用了DMD電極制備柔性PSC，并指出可以通過削減中間金屬層的厚度以使器件呈現(xiàn)更高的透明度。該器件的AVT最高超過30%，同時兼具良好的機械性能，在1 000次彎曲后，仍保留88%的PCE。這些透明電極的研究在保證了半透明PSC合適透光程度的基礎(chǔ)上，又在其他方面優(yōu)化了PSC，展示了PSC器件的多角度優(yōu)化方案。

不僅如此，插入一些層間結(jié)構(gòu)可為半透明PSC帶來更多元的性能。2015年，ZHANG等[40]報道了一種多色半透明PSC，該團隊向器件引入光子學(xué)晶體反射層，使其可通過散射光波的相干作用實現(xiàn)多色化，其中藍色半透明PSC展示出最高的PCE，超過了8%。這些結(jié)果都極大地顯示了PSC在半透明PV領(lǐng)域的優(yōu)勢，為將PSC應(yīng)用于光伏變色智能窗提供了基礎(chǔ)。

本節(jié)依照光敏層材料的線索，闡述了半透明光伏器件的研究進展。表1總結(jié)了一些性能較為優(yōu)異的光伏器件?？梢栽O(shè)想，未來對于半透明光伏器件的研究，不僅應(yīng)著眼于核心參數(shù)的突破，在工藝的簡化及功能性的提高等方面也存在挑戰(zhàn)。

表1 不同ST-PV的效率與AVT

2 光伏智能窗

理想情況下，單一的半透明光伏器件雖有望解決建筑供能問題，但對于透過的太陽光缺乏智能調(diào)節(jié)響應(yīng)，未能解決建筑玻璃幕墻的熱交換能耗問題。研究者們嘗試將同樣用于玻璃幕墻的智能玻璃與場致變色技術(shù)與半透明光伏電池相結(jié)合，提出了同時解決兩個能耗問題的“一體化方案”。目前，光伏智能窗依場致變色的不同主要可分為光伏電致變色智能窗與光伏熱致變色智能窗。相比不具智能調(diào)光功能的半透明PV器件，光伏智能窗還需在光學(xué)調(diào)制、著色轉(zhuǎn)換等方面具備優(yōu)異的性質(zhì)。判斷光伏智能窗是否優(yōu)異可以通過以下幾個參數(shù)來界定，包括足夠高的著色/漂白光學(xué)對比度（transmittance contrast, Δ）、著色效率（color efficiency, CE）或光子著色效率（photo color efficiency, PhCE），以及較長的循環(huán)穩(wěn)定壽命與較短的轉(zhuǎn)換時間，同時器件需兼具一定程度的光伏性能以保證整個器件在著色/漂白工作中穩(wěn)定流暢。此外，由于一般情況下漂白半反應(yīng)比著色在動力學(xué)上更難完成，因此在漂白態(tài)的透光度也將作為評判光伏智能窗優(yōu)劣的標(biāo)準。目前對光伏智能窗的優(yōu)化策略主要著眼于提升其光學(xué)調(diào)制性能及響應(yīng)時間，同時盡可能提升器件的光伏性能。下面將通過綜述光伏智能窗的研究進展，從不同角度介紹光伏智能窗的優(yōu)化方案。

2.1 光伏電致變色智能窗

1996年，BECHINGER等[6]提出了將電致變色（EC）薄膜與半透明光伏（STPV）元件整合一體化的光伏電致變色器件（PECD），該設(shè)備的PV單元不僅可以提供EC單元的變色驅(qū)動，還可以輸送多余的電能，同時實現(xiàn)了動態(tài)調(diào)光和能量輸出，是最早的光伏智能窗。然而該器件的光電轉(zhuǎn)換效率不高，轉(zhuǎn)換時間也較長，限制了其在實際建筑的使用。研究人員通過對集成結(jié)構(gòu)、器件材料、合成工藝等方面的改善，使得光伏電致變色智能窗在保證光學(xué)調(diào)制的同時，兼具優(yōu)異的光伏性能，展現(xiàn)出其應(yīng)用于實際生產(chǎn)的可觀潛力。

2.1.1 PV單元

DSSC以其優(yōu)質(zhì)的半透明基礎(chǔ)成為PV單元的首要集成對象，最早，PECD采用光陽極與電致變色層分離的結(jié)構(gòu)，在電極間共享電解質(zhì)。EC層接收PV單元的光生電子實現(xiàn)溶液離子的嵌入而著色，漂白反應(yīng)則通過與溶液里的氧化還原對反應(yīng)而實現(xiàn)（圖4a）。而在2001年，HAUCH等[41]提出了一種不同于以往報道的“分離式”PECD結(jié)構(gòu)，稱為“一體式”結(jié)構(gòu)（圖4b）。該結(jié)構(gòu)突破以往將電致變色層作為光陽極對電極的結(jié)構(gòu)限制，將DSSC與EC材料WO3形成堆疊結(jié)構(gòu)沉積至同一襯底，而將鉑電極作為催化對電極。放電過程中，電子通過外電路到達鉑電極，并還原電解質(zhì)，這種快速遷移通道使得器件的轉(zhuǎn)換時間縮短至2 min左右，在可見光區(qū)可達到的最大Δ超過40%。同樣基于DSSC，2012年，LEFTHERIOTIS等[42]介紹了“部分覆蓋”結(jié)構(gòu)的PECD，PV單元以小覆蓋率與EC單元重疊，這種結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了10.2∶1的高度光學(xué)調(diào)制，轉(zhuǎn)換時間較短，并通過對比不同PV元件覆蓋率對PECD變色性能的影響證明了部分覆蓋結(jié)構(gòu)在光學(xué)調(diào)制等EC性能上更優(yōu)于完全覆蓋結(jié)構(gòu)。

DOKOUZIS等[43]則優(yōu)化了“部分覆蓋”結(jié)構(gòu)，在繼承了原來器件優(yōu)異調(diào)光性能的同時，得到了4倍于傳統(tǒng)PECD結(jié)構(gòu)的PCE（4.9%）（圖4c ～ 圖4e）。在這種結(jié)構(gòu)中，小面積的TiO2光陽極被先行沉積在邊緣，再用WO3填充未被覆蓋的表面，從而可以對PV層進行熱處理而不影響EC層的性能。同年，ZHANG等[44]也引用了“部分覆蓋”結(jié)構(gòu)并將PECD沉積于柔性基底PEI/ITO上，使器件具有較好的機械性能。這些基于DSSC的器件都借助了其本身較高透明度這一優(yōu)勢，盡管從PV性能角度看，DSSC基的PECD仍有較大提升空間，但其以較低的制備成本、優(yōu)異的變色性能、可穿戴織物方面的潛力等功能優(yōu)勢至今仍被大量研究。

圖4 （a）PECD的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖，器件在光照短路狀態(tài)下著色并在開路時漂白；（b）PECD的“一體式”結(jié)構(gòu)原理圖，器件在光照開路狀態(tài)下著色，并在短路時完成漂白[41]；（c）“部分覆蓋”PECD結(jié)構(gòu)圖；（d）光充電著色原理示意圖；（e）放電漂白過程原理示意圖[43]

其他半透明光伏器件也可作為PV單元整合成PECD。2017年，LUO等[45]設(shè)計了一種基于CdS量子點太陽能電池的PECD，并引用了[Fe(CN)6]4?/3?作為氧化還原對。通過控制不同的量子點沉積周期得到了不同性能的器件，在可見光區(qū)獲得的最高透光率為81%，并具有70%的光學(xué)調(diào)制。但器件的轉(zhuǎn)換時間較長，PCE也較低。2019年，SHEN等[46]制備了基于碳量子點太陽能電池的PECD，器件的光學(xué)對比度達到54.6%，且轉(zhuǎn)換時間僅在幾秒之間，漂白態(tài)的透光率也高于65%。2020年，POTTER等[47]介紹了基于硅微電池的柔性PECD薄膜，將面積僅為0.003 cm2的硅微電池集成在柔性襯底上，PV元件與EC層的面積比例僅為1∶166，器件在600 nm處得到了33%的最大光學(xué)調(diào)制以及8 s的快速轉(zhuǎn)換時間，且表現(xiàn)出良好的機械性能。這些成果都是在透明光陽極的基礎(chǔ)上進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，進一步證明了PV元件的透明性與必要的光伏性能是優(yōu)質(zhì)PECD必不可少的基礎(chǔ)條件。

2.1.2 電解質(zhì)與EC單元

合適的電解質(zhì)材料是著色/漂白循環(huán)的關(guān)鍵，也與器件的穩(wěn)定性相關(guān)。用于光電致變色器件的電解質(zhì)材料首先都必須保證高度透明。其次，優(yōu)異的電解質(zhì)材料須在符合能帶要求的基礎(chǔ)上具有良好的離子電導(dǎo)率，簡單低廉的合成工藝以及對電極的化學(xué)友好性。目前在PECD中使用最為廣泛的離子電解質(zhì)包含Li+/Na+等嵌脫陽離子與以I?/I3?為主的鹵族氧化還原對。2019年，DOKOUZIS等[48]嘗試解決鹵素電解質(zhì)對光陽極的腐蝕，分析了將Co2+/Co3+氧化還原對引入器件替代碘離子電解質(zhì)的可能性，雖然得到了較好的穩(wěn)定性與著色態(tài)單色性，但PV性能比較平庸。PAN等[49]則嘗試將生物組織電解質(zhì)材料用于裝配PECD，設(shè)計了水母基與海藻基的PECD，并使用了紫精衍生物與含二茂鐵的有機物作為EC材料。THEODOSIOU等[50]考察了用于DSSC基PECD的凝膠電解質(zhì)，分析了凝膠中聚合物的濃度與分子量對離子遷移率的影響，針對凝膠電解質(zhì)存在的界面復(fù)合問題，文章提出向接觸界面引入ZnS電子阻擋層可以有效解決復(fù)合問題。

電致變色層（EC）也是PECD的核心單元之一。近些年隨著對EC層的不斷優(yōu)化，研究者們探索出另一個有效優(yōu)化器件變色性能的方向。最早使用的EC材料為非晶態(tài)WO3，通過外加偏壓與陽離子嵌脫能在白色/藍色間實現(xiàn)平穩(wěn)地漂白/著色，是絕大多數(shù)PECD使用的EC材料。但WO3在進行高通量離子嵌脫時會產(chǎn)生深度離子捕獲，體積相變等問題影響循環(huán)穩(wěn)定性與可逆程度[51-52]。除此之外，一些功能性的需求也使得其他變色材料如普魯士藍（prussian blue, PB）、釩氧化物、氧化鎳等受到廣泛關(guān)注。2020年，LI等[53]介紹了一種以Zn網(wǎng)格為陽極、以PB為陰極的電致變色設(shè)備，并引用K+/Zn2+作為電解質(zhì)體系，在此基礎(chǔ)上使用PV作為外部供能器件，雖未能實現(xiàn)光伏器件與電致變色設(shè)備一體化，但是得到了具有優(yōu)異CE與ST的器件。同年，ZHANG等[54]通過引用釩氧化物作為EC陰極實現(xiàn)了電池的三色轉(zhuǎn)換，同時通過顏色堆疊層實現(xiàn)多重變色（圖5），該設(shè)備在不同偏置下能表現(xiàn)出六種不同著色，并擁有20%的對比度。SUN等[55]則設(shè)計了具有熒光調(diào)制發(fā)射功能的電致變色器件。器件能在紫外光的激發(fā)下呈現(xiàn)不同的變色現(xiàn)象，放電過程進行時，器件最終轉(zhuǎn)變?yōu)樗{色并使熒光發(fā)射變?nèi)踔敝链銣?，光充電的過程則使熒光調(diào)制能力恢復(fù)。應(yīng)該指出的是，這些功能性的電致變色設(shè)備并未能實現(xiàn)與PV設(shè)備的一體化，但其更多地展示了光電致變色器件在功能性的拓展，也揭示了光伏智能窗更多元的發(fā)展方向。除了無機電致變色材料，一些有機變色材料如PANI、PEDOT等也占據(jù)EC材料研究領(lǐng)域的重要部分，并以其成本低廉、合成簡單等優(yōu)勢吸引研究者們不斷深入研究[56-57]。

圖5 （a）多色電色器件原理圖；（b）顏色堆疊原理與六色效果；（c）不同顏色狀態(tài)下的器件透射光譜；（d）器件在橙色狀態(tài)下的開路電壓；（e）器件在放電狀態(tài)下為LED供能40 min；（f）器件在不同顏色狀態(tài)下的照片[54]

2.1.3 結(jié)構(gòu)革新——PVCD

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的光電致變色器件能憑借整合PV元件實現(xiàn)最基本的自供能，雖然器件的變色性能足以滿足光伏智能窗的光學(xué)調(diào)制要求，但器件的光伏產(chǎn)能往往僅能用于著色，且傳統(tǒng)器件在工作時通過短路與開路控制著色/漂白，在未處理EC層的情況下很難實現(xiàn)多重變色效果。更重要的是在轉(zhuǎn)換時間方面，傳統(tǒng)PECD往往受制于電解質(zhì)內(nèi)氧化還原對的慢速轉(zhuǎn)換，影響了器件高速工作性能的開發(fā)。研究者們嘗試從結(jié)構(gòu)上改進PECD來使其兼具可媲美常規(guī)太陽能電池的光伏性能，并進一步提高器件的轉(zhuǎn)換時間。

真正取得突破性進展的研究是WU等[7]在2009年介紹的一種新型光伏變色電池（photovoltachromic cell, PVCC），這種器件參考了傳統(tǒng)“分離式”PECD結(jié)構(gòu)，使用DSSC光陽極并將電致變色層沉積于對電極。不同的是，這種設(shè)備通過濺射沉積包圍WO3的Pt膜并與WO3接觸，共同構(gòu)成電致變色對電極。得益于WO3/Pt/電解質(zhì)的電子傳輸通道，在光照開路的條件下器件能在幾秒間實現(xiàn)漂白轉(zhuǎn)換，且具備與常規(guī)DSSC相近的PV性能。借助于優(yōu)異的PV性能，可以通過外接負載來改變電路的電流從而調(diào)節(jié)器件著色（圖6）。此后，對于結(jié)構(gòu)的不斷深入研究使得這類器件的潛力被不斷開發(fā)。2014年，MALARA等[58]設(shè)計了一種重疊對電極三明治結(jié)構(gòu)，將Pt電極作為中間電極插入在各層封裝的電致變色層與光陽極之間，并在中間打孔使電解質(zhì)充滿兩個電解單元。通過選擇接通不同端點實現(xiàn)器件在DSSC/PECD/PVCD間轉(zhuǎn)換，同樣也能通過外加負載調(diào)節(jié)著色程度。文章還提到中間電極的覆蓋程度越大，帶來的光伏收益越大，但對于Li+的擴散則有抑制作用。同年，CANNAVALE等[59]介紹了一種基于EC材料與Pt周期交叉條紋陣列的PVCD。這種梳狀結(jié)構(gòu)能有效提高響應(yīng)速度，并在使用DYE1染料替換N719后得到較高的PCE與光學(xué)對比度。除了工作性能，器件在循環(huán)、化學(xué)、光熱等穩(wěn)定性層面上也存在巨大挑戰(zhàn)。一般認為導(dǎo)致穩(wěn)定性不足的原因是液態(tài)電解質(zhì)對光陽極的腐蝕作用與封裝不足帶來的電解液泄漏。除此之外，基于DSSC的PVCD器件往往在漂白態(tài)下缺乏足夠的透明度，一方面歸因于染料分子的固有成色，另一方面則是碘系電解質(zhì)的相關(guān)副反應(yīng)會向器件引入碘單質(zhì)。近年，隨著PSC研究的不斷深入，由于PSC便于實現(xiàn)中性透明，并有望實現(xiàn)整體器件全固態(tài)結(jié)構(gòu)，更多的研究著眼于將PSC整合為PVCD器件。

圖6 （a）PECC和PVCC原理圖；（b）PECC在開路狀態(tài)下，準備狀態(tài)和著色態(tài)的透射光譜；（c）PVCC在準備狀態(tài)（左）和著色態(tài)（右）的照片；（d）PECC與PVCC在黑暗狀態(tài)下對788 nm波長光的漂白進程[7]

2015年，CANNAVALE等[60]引用了“島”結(jié)構(gòu)的PSC制備了全固態(tài)的PVCD，這種全固態(tài)器件引入了含Li-PEO的固態(tài)聚合物電解質(zhì)，最高可得到5.5%的PCE，轉(zhuǎn)換時間也在十幾秒間。即使在透光率和對比度上仍有不足，卻具有良好的中性色。

2016年，ZHOU等[61]介紹了以PSC為基礎(chǔ)的光伏超級電容器（photovoltachromic supercapacitor），這種器件基于光電致變色原理，實現(xiàn)高效的光電轉(zhuǎn)換與變色儲能功能。該器件使用MoO3-Au-MoO3電極并將TiO2/spiro-OMeTAD分別作為電子與空穴傳輸層，基于此設(shè)計的共陽極/共陰極結(jié)構(gòu)分別具有8.25%/11.89%的PCE與85%/76.2%的退色態(tài)透光率。文章通過循環(huán)伏安（cyclic voltammetry, CV）曲線與恒電流充放電（galvanostatic charge-discharge, GCD）曲線驗證了變色單元穩(wěn)定的離子嵌脫性能與電容行為，器件在充電時通過變色將離子儲存，放電過程則將離子釋放而褪色（圖7）。再者，器件于著色狀態(tài)下保持低功率工作緩解了PSC元件性能的衰減，帶來了較長的光穩(wěn)定壽命。PUGLIESE等[62]提出了一種在單一襯底上自下而上沉積全固態(tài)PVCD的工藝，并使用全氟磺酸聚合物作為固態(tài)電解質(zhì)。該結(jié)構(gòu)有效地避開了液態(tài)電解質(zhì)封裝時可能會引入的氣泡、裂紋等缺陷，退色時AVT可達到23%，轉(zhuǎn)換時間也在十幾秒之內(nèi)，并兼具良好的光伏性能。SYRROKOSTAS等[63]將含ZrO2雙層結(jié)構(gòu)的碳基PSC用于整合光伏變色器件，該器件提供了一種全無機材料的思路，采用模塊分離與部分覆蓋的結(jié)構(gòu)使得整體器件有較好的透明度，雙層ZrO2結(jié)構(gòu)用于集中散射強化二次光吸收，使器件得到良好的光伏性能。2021年，LIU等[64]介紹了一種單片式的PVCD，這種PVCD由基于鹵素離子交換工藝制取的PV單元與基于離子凝膠的EC層垂直集成。通過控制鹵素離子的交換周期調(diào)控PV單元的透明度，最終整裝器件在漂白態(tài)實現(xiàn)了76%的透過率，且對比度超過了30%。值得注意的是，該器件無需引入任何中間電極與中間電解質(zhì)，并兼具良好的循環(huán)穩(wěn)定性。作為全固態(tài)或準固態(tài)器件，這些設(shè)備都在保證基本的自供能變色外，兼具相對穩(wěn)定的性質(zhì)與優(yōu)質(zhì)的光伏性能。這些研究也為光伏變色技術(shù)應(yīng)用于智能窗與BIPV提供了更多的可能性。

圖7 （a）共陽極PVCS和（b）共陰極器件在100 s內(nèi)進行光充電和放電的V-t曲線，以0.1 mA / cm2的電流密度進行處理；（c）WO3–ECS的CV曲線和（d）GCD曲線[61]

表2以一些核心參數(shù)為線索總結(jié)了部分光伏電致變色器件?？傮w而言，光伏電致變色智能窗相比單一半透明光伏器件或智能玻璃有一體化的優(yōu)勢，但如何綜合平衡兩個單元組件的優(yōu)異性能還需要深入研究，由于該設(shè)備的評估涉及多參數(shù)，這些參數(shù)的相互限制也使得光伏電致變色器件無法具有普適的完美標(biāo)準，未來對光伏電致變色器件的研究仍然會集中在多參數(shù)的整體優(yōu)化上，以開發(fā)適用于實際建筑玻璃的光伏智能窗。此外，一些功能性的研究如柔性可折疊、可穿戴、多重變色等方向也值得關(guān)注。

表2 不同光伏電致變色器件的性能指標(biāo)

2.2 光伏熱致變色智能窗

與光伏電致變色智能窗相似，光伏熱致變色智能窗也作為解決建筑玻璃熱交換與供能能耗問題的“一體化”設(shè)備受到廣泛研究。與之不同的是，熱致變色智能窗的變色僅依賴于環(huán)境溫度。當(dāng)環(huán)境溫度高于臨界值時，熱致變色材料會發(fā)生熱相變。這些相變著色原理包括基于大分子團簇使光散射、晶格結(jié)構(gòu)的變化引起光吸收，溫度升高引起相溶解度的變化等。由于變色單元的工作不再依賴于光伏轉(zhuǎn)換供能，相比光伏電致變色智能窗，光伏熱致變色智能窗在理想狀態(tài)下能最大限度地保留器件的光伏性能，是供能與節(jié)能一體化的考慮。另外，由于熱致變色材料的調(diào)制光區(qū)往往能延伸至近紅外區(qū)，對近紅外光的選擇透過性也是評價器件性能是否優(yōu)異的標(biāo)準，具體參數(shù)為整體太陽光的透過率調(diào)制（solar energy modulation, Δsol）。

2013年，ZHOU等[65]將VO2@SiO2@TiO2熱致變色材料作為低反射介質(zhì)膜，與聚合物導(dǎo)光層組成疊層結(jié)構(gòu)變色玻璃，并將半透明多晶硅PV整合在玻璃兩側(cè)，利用光散射增強該器件實現(xiàn)了熱致變色玻璃與太陽能電池的結(jié)合，是最早的光伏熱致變色智能窗。器件的Δsol最高達到7.5%，但器件的PCE僅有0.52%。2015年，GUO等[66]設(shè)計了VO2/AgNWs/ZnO/OPV/ITO疊層結(jié)構(gòu)的光伏熱致變色器件，該器件利用熱致變色薄膜實現(xiàn)近紅外光調(diào)制，而PV單元吸收可見光進行發(fā)電，器件同樣具有7.5%的Δsol，且PCE達到了3.1%。但該器件對可見光幾乎沒有調(diào)制，且在漂白狀態(tài)下對可見光的透明度僅有28.2%，無法滿足建筑玻璃幕墻的透明需求?；赩O2熱致變色材料的光伏熱致變色器件與通常的光伏電致變色器件一樣，需要考慮調(diào)制效果與光伏性能的權(quán)衡與折中，是導(dǎo)致其光伏性能不盡如人意的主要原因。不僅如此，本征VO2材料的相變溫度為68℃，這在玻璃幕墻的實際使用中難以達到，雖能通過摻雜手段使相變溫度降低，但引入雜質(zhì)往往使得玻璃的透明性變差。顯然，光伏熱致變色智能窗需要更優(yōu)異的材料，以綜合調(diào)制效果與光伏性能。

2015年，AHN等[67]研究了鈣鈦礦的熱相變機理，指出在高溫時溶液中的鈣鈦礦相會結(jié)晶析出，使原本無色的溶液呈現(xiàn)鈣鈦礦相紅棕色。鈣鈦礦是最有潛力的光伏材料之一，其在脫水相變中展現(xiàn)的熱致變色行為完美契合光伏熱致變色智能窗的設(shè)想，因此受到研究者的廣泛關(guān)注。2017年，WHEELER等[8]設(shè)計了一種基于鈣鈦礦的光伏熱致變色智能窗，引用MAPbI3·CH3NH2作為熱致變色材料，在太陽光輻射加熱下，CH3NH2以氣態(tài)分離使得鈣鈦礦層著色，同時器件可作為PSC進行光伏轉(zhuǎn)換發(fā)電。當(dāng)環(huán)境處于低溫狀態(tài)時，CH3NH2重新與MAPbI3結(jié)合使器件恢復(fù)透明狀態(tài)，整個器件在封裝狀態(tài)下不會發(fā)生氣體泄漏，保證了器件的可逆性。該器件在漂白態(tài)時的可見光透過率達到68%，著色態(tài)時則為3%，且在有色態(tài)時器件的PCE達到11.8%，較好地兼具了光學(xué)調(diào)制與光伏性能（圖8）。然而器件的穩(wěn)定性較差，在20次循環(huán)后光電流下降近十倍，也難以用于實際玻璃幕墻中。2018年，LIN等[68]報道了一種基于CsPbI3?Br熱相變的光伏熱致變色智能窗，這種材料的透明度和光伏性能均與成分因子有關(guān)，當(dāng)很高時，鈣鈦礦將無法從高溫相還原為低溫相。該研究指出當(dāng)使用CsPbIBr2作為器件的變色吸光層時，低溫相對可見光的透過率達到81.7%，高溫下則降至35.4%，在高溫相下PCE可達4.69%。重要的是該器件有較高的穩(wěn)定性，在經(jīng)歷40個著色/漂白循環(huán)后仍保留了85%的峰值PCE。然而，該器件的相變溫度高達105℃，難以投入實際應(yīng)用。

2019年，XIA等[69]提出了基于半透明PSC與液晶/聚合物復(fù)合材料（liquid crystal/polymer composite, LCPC）的光伏熱致變色智能窗，能解決以往器件熱相變溫度高的問題（圖9）。該器件引用LCPC作為熱致變色材料，相變溫度僅為37.8℃，在光照狀態(tài)下借助光輻射加熱即可達到深著色狀態(tài)，且在著色狀態(tài)下得益于內(nèi)部光散射的增強，器件的PCE可達到18.02%。即使是在透明狀態(tài)下，器件仍保持了超過15%的高水平PCE。由于在集成器件時選擇了光伏性能優(yōu)先型的半透明PSC，雖然熱致變色單元的可見光調(diào)節(jié)率已經(jīng)達到76%，但受到鈣鈦礦顏色的影響，整裝器件的AVT僅為10%左右。值得一提的是，除了借助常規(guī)的室溫冷卻，該設(shè)備能在外加電場的激勵下轉(zhuǎn)換至透明狀態(tài)，這種額外的電致相變性能使得光伏智能窗在高溫狀態(tài)下自由切換著色/透明成為可能，增加了光伏智能窗在光學(xué)調(diào)制上的選擇性。

表3總結(jié)了一些光伏熱色器件的性能。截至目前，光伏熱致變色智能窗的研究還不及光伏電致變色智能窗深入，但其性能突破了以往光伏性能與透光程度“不可兼得”的限制，使其有望在未來替代光伏電致變色智能窗并應(yīng)用于實際生產(chǎn)生活中。表4總結(jié)了四種器件的性能特點，作為結(jié)合“溫控節(jié)能”與“光伏供能”的光伏熱色器件，可被認為是完全實現(xiàn)光伏建筑一體化的理想器件。然而，對光伏熱致變色智能窗來說，在降低相變溫度和提高穩(wěn)定性方面還有很多工作要做。此外，這種依賴于環(huán)境溫度的“強制性”調(diào)節(jié)是否會為使用者帶來生活或隱私上的不便，仍然在實用領(lǐng)域中引發(fā)討論[70]。未來讓光伏熱致變色智能窗擁有分區(qū)調(diào)節(jié)或自由開關(guān)等便利性功能，也成為研究者們深入開發(fā)與不斷完善的一個方向。

圖9 光伏智能窗在低溫透明模式、高溫光散射模式、高溫透明模式下的工作原理與不同模式間的轉(zhuǎn)換過程[69]

表3 不同光伏熱致變色器件的性能指標(biāo)

表4 各類器件的性能對比

3 總結(jié)與展望

綜述了近些年來半透明光伏器件以及光伏智能窗的研究進展，梳理了這兩類器件重點的優(yōu)化方案與研究成果。半透明光伏器件用于建筑玻璃幕墻是實現(xiàn)BIPV戰(zhàn)略的核心基礎(chǔ)。光伏智能窗則在同時解決供能與熱交換能耗的戰(zhàn)略布局中起到重要作用。光伏電致變色器件作為結(jié)合了半透明光伏電池與電致變色技術(shù)的革新器件，在高效產(chǎn)能與穩(wěn)定工作上有單一光伏器件或智能玻璃無法比擬的優(yōu)勢。光伏熱致變色器件在設(shè)計原理上擺脫了兩種主要性能——透光程度與光伏收益的相互制約關(guān)系，完美契合一體化器件的預(yù)期性能，具有不可估量的研究價值與潛力。同時，光伏智能窗這項技術(shù)也在功能、結(jié)構(gòu)、工藝、材料、性能等多個領(lǐng)域上日新月異，形成了多主流的研究趨勢，其中全固態(tài)器件與柔性器件等研究方向集中了更多的挑戰(zhàn)與潛力。對于如何將變色性能與光伏收益的平衡點上調(diào)至更高水平的研究，目前尚未取得突破性進展，這也意味著器件在結(jié)構(gòu)與材料等層面上的創(chuàng)新仍然具有無法預(yù)估的可能性。未來的研究，無論是整體器件的垂直集成還是功能單元的性能開發(fā)，都具有不可量化的前景與挑戰(zhàn)。

[1] 中國建筑節(jié)能協(xié)會. 中國建筑能耗研究報告2020[J]. 建筑節(jié)能, 2021, 49(2): 1-6. DOI: 10.3969/j.issn.2096- 9422.2021.02.001.

[2] MIRZAEI A, KIM J H, KIM H W, et al. Gasochromic WO3nanostructures for the detection of hydrogen gas: an overview[J]. Applied sciences, 2019, 9(9): 1775. DOI: 10.3390/app9091775.

[3] ZHANG J J, ZOU Q, TIAN H. Photochromic materials: more than meets the eye[J]. Advanced materials, 2013, 25(3): 378-399. DOI: 10.1002/adma.201201521.

[4] KE Y J, ZHOU C Z, ZHOU Y, et al. Emerging thermal-responsive materials and integrated techniques targeting the energy-efficient smart window application[J]. Advanced functional materials, 2018, 28(22): 1800113. DOI: 10.1002/adfm.201800113.

[5] GRANQVIST C G. Electrochromics for smart windows: oxide-based thin films and devices[J]. Thin solid films, 2014, 564: 1-38. DOI: 10.1016/j.tsf.2014.02.002.

[6] BECHINGER C, FERRERE S, ZABAN A, et al. Photoelectrochromic windows and displays[J]. Nature, 1996, 383(6601): 608-610. DOI: 10.1038/383608a0.

[7] WU J J, HSIEH M D, LIAO W P, et al. Fast-switching photovoltachromic cells with tunable transmittance[J]. ACS nano, 2009, 3(8): 2297-2303. DOI: 10.1021/nn900428s.

[8] WHEELER L M, MOORE D T, IHLY R, et al. Switchable photovoltaic windows enabled by reversible photothermal complex dissociation from methylammonium lead iodide[J]. Nature communications, 2017, 8(1): 1722. DOI: 10.1038/s41467-017-01842-4.

[9] O’REGAN B, GR?TZEL M. A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2films[J]. Nature, 1991, 353(6346): 737-740. DOI: 10.1038/353737a0.

[10] LEE Y L, CHEN C L, CHONG L W, et al. A platinum counter electrode with high electrochemical activity and high transparency for dye-sensitized solar cells[J]. Electrochemistry communications, 2010, 12(11): 1662-1665. DOI: 10.1016/j.elecom.2010.09.022.

[11] IEFANOVA A, NEPAL J, POUDEL P, et al. Transparent platinum counter electrode for efficient semi-transparent dye-sensitized solar cells[J]. Thin solid films, 2014, 562: 578-584. DOI: 10.1016/j.tsf.2014.03.075.

[12] BU C H, LIU Y M, YU Z H, et al. Highly transparent carbon counter electrode prepared via an in situ carbonization method for bifacial dye-sensitized solar cells[J]. ACS applied materials & interfaces, 2013, 5(15): 7432-7438. DOI: 10.1021/am4017472.

[13] HWANG D K, SONG D, JEON S S, et al. Ultrathin polypyrrole nanosheets doped with HCl as counter electrodes in dye-sensitized solar cells[J]. Journal of materials chemistry A, 2014, 2(3): 859-865. DOI: 10.1039/c3ta13367b.

[14] SONG D D, LI M C, LI Y F, et al. Highly transparent and efficient counter electrode using SiO2/PEDOT-PSS composite for bifacial dye-sensitized solar cells[J]. ACS applied materials & interfaces, 2014, 6(10): 7126-7132. DOI: 10.1021/am500082x.

[15] WANG Y C, WANG D Y, JIANG Y T, et al. FeS2nanocrystal ink as a catalytic electrode for dye-sensitized solar cells[J]. Angewandte chemie international edition, 2013, 52(26): 6694-6698. DOI: 10.1002/anie.201300401.

[16] DUAN Y Y, TANG Q W, LIU J, et al. Transparent metal selenide alloy counter electrodes for high-efficiency bifacial dye-sensitized solar cells[J]. Angewandte chemie international edition, 2014, 53(52): 14569-14574. DOI: 10.1002/anie.201409422.

[17] ZHANG K, QIN C J, YANG X D, et al. High-performance, transparent, dye-sensitized solar cells for see-through photovoltaic windows[J]. Advanced energy materials, 2014, 4(11): 1301966. DOI: 10.1002/aenm. 201301966.

[18] KAVAN L, YUM J H, NAZEERUDDIN M K, et al. Graphene nanoplatelet cathode for Co(III)/(II) mediated dye-sensitized solar cells[J]. ACS nano, 2011, 5(11): 9171-9178. DOI: 10.1021/nn203416d.

[19] SALVATIERRA R V, CAVA C E, ROMAN L S, et al. ITO-free and flexible organic photovoltaic device based on high transparent and conductive Polyaniline/Carbon nanotube thin Films[J]. Advanced functional materials, 2013, 23(12): 1490-1499. DOI: 10.1002/adfm.201201878.

[20] LIU Z K, YOU P, LIU S H, et al. Neutral-color semitransparent organic solar cells with all-graphene electrodes[J]. ACS nano, 2015, 9(12): 12026-12034. DOI: 10.1021/acsnano.5b04858.

[21] DONG X Y, SHI P, SUN L L, et al. Flexible nonfullerene organic solar cells based on embedded silver nanowires withan efficiency up to 11.6%[J]. Journal of materials chemistry A, 2019, 7(5): 1989-1995. DOI: 10.1039/c8ta11378e.

[22] XIA Y J, SUN K, OUYANG J Y. Highly conductive poly(3,4-ethylenedioxythiophene): poly(styrene sulfonate) films treated with an amphiphilic fluoro compound as the transparent electrode of polymer solar cells[J]. Energy & environmental science, 2012, 5(1): 5325-5332. DOI: 10.1039/c1ee02475b.

[23] SONG W, FANADY B, PENG R X, et al. Foldable semitransparent organic solar cells for photovoltaic and photosynthesis[J]. Advanced energy materials, 2020, 10(15): 2000136. DOI: 10.1002/aenm.202000136.

[24] AMERI T, DENNLER G, WALDAUF C, et al. Fabrication, optical modeling, and color characterization of semitransparent bulk-heterojunction organic solar cells in an inverted structure[J]. Advanced functional materials,2010, 20(10): 1592-1598. DOI: 10.1002/adfm.201000176.

[25] CHEN K S, SALINAS J F, YIP H L, et al. Semi-transparent polymer solar cells with 6% PCE, 25% average visible transmittance and a color rendering index close to 100 for power generating window applications[J].Energy & environmental science, 2012, 5(11): 9551-9557. DOI: 10.1039/c2ee22623e.

[26] XIE Y P, XIA R X, LI T F, et al. Highly transparent organic solar cells with all-near-infrared photoactive materials[J]. Small methods, 2019, 3(12): 1900424. DOI: 10.1002/smtd.201900424.

[27] SUN C, XIA R X, SHI H, et al. Heat-insulating multifunctional semitransparent polymer solar cells[J]. Joule, 2018, 2(9): 1816-1826. DOI: 10.1016/j.joule.2018.06.006.

[28] LIU Q, GERLING L G, BERNAL-TEXCA F, et al. Light harvesting at oblique incidence decoupled from transmission in organic solar cells exhibiting 9.8% efficiency and 50% visible light transparency[J]. Advanced energy materials, 2020, 10(17): 1904196. DOI: 10.1002/aenm.201904196.

[29] KOJIMA A, TESHIMA K, SHIRAI Y, et al. Organometal halide perovskites as visible-light sensitizers for photovoltaic cells[J]. Journal of the American chemical society, 2009, 131, 6050-6051. DOI: 10.1021/ja809598r.

[30] GASPERA E D, PENG Y, HOU Q C, et al. Ultra-thin high efficiency semitransparent perovskite solar cells[J]. Nano energy, 2015, 13: 249-257. DOI: 10.1016/j.nanoen. 2015.02.028.

[31] UPAMA M B, MAHMUD M A, YI H M, et al. Low- temperature processed efficient and colourful semitransparent perovskite solar cells for building integration and tandem applications[J]. Organic electronics, 2019, 65: 401-411. DOI:10.1016/j.orgel.2018.11.037.

[32] EPERON G E, BURLAKOV V M, GORIELY A, et al. Neutral color semitransparent microstructured perovskite solar cells[J]. ACS nano, 2014, 8(1): 591-598. DOI: 10.1021/nn4052309.

[33] H?RANTNER M T, ZHANG W, SALIBA M, et al. Templated microstructural growth of perovskite thin filmscolloidal monolayer lithography[J]. Energy & environmental science, 2015, 8(7): 2041-2047. DOI: 10.1039/c5ee01169h.

[34] AHARON S, LAYANI M, COHEN B E, et al. Self- assembly of perovskite for fabrication of semitransparent perovskite solar cells[J]. Advanced materials interfaces, 2015, 2(12): 1500118. DOI: 10.1002/admi.201500118.

[35] H?RANTNER M T, NAYAK P K, MUKHOPADHYAY S, et al. Shunt-blocking layers for semitransparent perovskite solar cells[J]. Advanced materials interfaces, 2016, 3(10): 1500837. DOI: 10.1002/admi.201500837.

[36] DOKKHAN C, MOKHTAR M Z, KE C R, et al. Modulating crystallization in semitransparent perovskite films using submicrometer spongelike polymer colloid particles to improve solar cell performance[J]. ACS applied energy materials, 2019, 2(9): 6624-6633. DOI: 10.1021/acsaem.9b01162.

[37] WANG M, CAO F R, WANG M, et al. Intermediate- adduct-assisted growth of stable CsPbI2Br inorganic perovskite films for high-efficiency semitransparent solar cells[J]. Advanced materials, 2021, 33(10): 2006745. DOI: 10.1002/adma.202006745.

[38] GUNES U, CELIK E B, AKGUL C C, et al. A thienothiophene-based cation treatment allows semitransparent perovskite solar cells with improved efficiency and stability[J]. Advanced functional materials, 2021, 6: 2103130. DOI: 10.1002/adfm.202103130.

[39] OU X L, XU M, FENG J, et al. Flexible and efficient ITO-free semitransparent perovskite solar cells[J]. Solar energy materials and solar cells, 2016, 157: 660-665. DOI: 10.1016/j.solmat.2016.07.010.

[40] ZHANG W, ANAYA M, LOZANO G, et al. Highly efficient perovskite solar cells with tunable structural color[J]. Nano letters, 2015, 15(3): 1698-1702. DOI: 10.1021/nl504349z.

[41] HAUCH A, GEORG A, BAUMG?RTNER S, et al. New photoelectrochromic device[J]. Electrochimica acta, 2001,46(13/14): 2131-2136. DOI: 10.1016/S0013-4686(01)00391-7.

[42] LEFTHERIOTIS G, SYRROKOSTAS G, YIANOULIS P. “Partly covered” photoelectrochromic devices with enhanced coloration speed and efficiency[J]. Solar energy materials and solar cells, 2012, 96: 86-92. DOI: 10.1016/j.solmat.2011.09.014.

[43] DOKOUZIS A, ZOI D, LEFTHERIOTIS G. Photoelectrochromic devices with enhanced power conversion efficiency[J]. Materials, 2020, 13(11): 2565. DOI: 10.3390/ma13112565.

[44] ZHANG D N, SUN B L, HUANG H, et al. A solar-driven flexible electrochromic supercapacitor[J]. Materials, 2020, 13(5): 1206. DOI: 10.3390/ma13051206.

[45] LUO G, SHEN K, WU X M, et al. High contrast photoelectrochromic device with CdS quantum dot sensitized photoanode[J]. New journal of chemistry, 2017, 41(2): 579-587. DOI: 10.1039/c6nj02756c.

[46] SHEN K, LUO G, LIU J, et al. Highly transparent photoelectrochromic device based on carbon quantum dotssensitized photoanode[J]. Solar energy materials and solar cells, 2019, 193: 372-378. DOI: 10.1016/j.solmat.2019. 01.004.

[47] POTTER M M, YODER M A, PETRONICO A, et al. Autonomous light management in flexible photoelectrochromic films integrating high performance silicon solar microcells[J]. ACS applied energy materials, 2020, 3(2): 1540-1551. DOI: 10.1021/acsaem.9b01987.

[48] DOKOUZIS A, BELLA F, THEODOSIOU K, et al. Photoelectrochromic devices with cobalt redox electrolytes[J]. Materials today energy, 2020, 15: 100365. DOI: 10.1016/j.mtener.2019.100365.

[49] PAN M J, ZHAO S, MA L, et al. All-in-one electrochromic devices with biological tissues used as electronic components[J]. Solar energy materials and solarcells, 2019, 189: 27-32. DOI: 10.1016/j.solmat.2018.09.014.

[50] THEODOSIOU K, DOKOUZIS A, ANTONIOU I, et al. Gel electrolytes for partly covered photoelectrochromic devices[J]. Solar energy materials and solar cells, 2019, 202: 110124. DOI: 10.1016/j.solmat.2019.110124.

[51] AU B W C, CHAN K Y, PANG W L, et al. Effect of bias voltage on the electrochromic properties of WO3films[J]. Journal of physics: conference series, 2019, 1349: 012040. DOI: 10.1088/1742-6596/1349/1/012040.

[52] INABA H, IWAKU M, TATSUMA T, et al. Electrochemical intercalation of cations into an amorphous WO3film and accompanying changes in mass and surface properties[J]. Journal of electroanalytical chemistry, 1995, 387(1/2): 71-77. DOI: 10.1016/0022-0728(94)03769-Y.

[53] LI H Z, ZHANG W, Elezzabi, A Y, et al. Transparent Zinc-mesh electrodes for solar-charging electrochromic windows[J]. Advanced materials, 2020, 32(43), 2003574. DOI: 10.1002/adma.202003574.

[54] ZHANG W, LI H Z, YU W W, et al. Transparent inorganic multicolour displays enabled by zinc-based electrochromic devices[J]. Light: science & applications, 2020, 9(1): 121. DOI: 10.1038/s41377-020-00366-9.

[55] SUN J Z, LI Y, SUN J K, et al. Reversible self-powered fluorescent electrochromic windows driven by perovskite solar cells[J]. Chemical communications, 2019, 55(80): 12060-12063. DOI: 10.1039/c9cc05779j.

[56] LI Y X, HAGEN J, HAARER D. Novel photoelectrochromic cells containing a polyaniline layer and a dye-sensitized nanocrystalline TiO2photovoltaic cell[J]. Synthetic metals, 1998, 94(3): 273-277. DOI: 10.1016/S0379-6779(98)00013-7.

[57] LIN C L, CHEN C Y, YU H F, et al. Comparisons of the electrochromic properties of poly(hydroxymethyl 3,4-ethylene- dioxythiophene) and poly(3,4-ethylenedioxythiophene) thin films and the photoelectrochromic devices using these thin films[J]. Solar energy materials and solar cells, 2019, 202: 110132. DOI: 10.1016/j.solmat.2019.110132.

[58] MALARA F, CANNAVALE A, CARALLO S, et al. Smart windows for building integration: a new architecture for photovoltachromic devices[J]. ACS applied materials & interfaces, 2014, 6(12): 9290-9297. DOI: 10.1021/am501648z.

[59] CANNAVALE A, MANCA M, DE MARCO L, et al. Photovoltachromic device with a micropatterned bifunctional counter electrode[J]. ACS applied materials & interfaces, 2014, 6(4): 2415-2422. DOI: 10.1021/am404800m.

[60] CANNAVALE A, EPERON G E, COSSARI P, et al. Perovskite photovoltachromic cells for building integration[J]. Energy & environmental science, 2015, 8(5): 1578-1584. DOI: 10.1039/c5ee00896d.

[61] ZHOU F C, REN Z W, ZHAO Y D, et al. Perovskite Photovoltachromic supercapacitor with all-transparent electrodes[J]. ACS Nano, 2016, 10(6): 5900-5908. DOI: 10.1021/acsnano.6b01202.

[62] PUGLIESE M, BISCONTI F, RIZZO A, et al. Highly efficient all-solid-state WO3-perovskite photovoltachromiccells for single-glass smart windows[J]. ACS applied energymaterials, 2020, 3(11): 10453-10462. DOI: 10.1021/acsaem. 0c01442.

[63] SYRROKOSTAS G, DOKOUZIS A, YANNOPOULOS S N, et al. Novel photoelectrochromic devices incorporating carbon-based perovskite solar cells[J]. Nano energy, 2020, 77: 105243. DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.105243.

[64] LIU Y, WANG J G, WANG F F, et al. Full-frame and high-contrast smart windows from halide-exchanged perovskites[J]. Nature communications, 2021, 12(1): 3360. DOI: 10.1038/S41467-021-23701-Z.

[65] ZHOU J D, GAO Y F, ZHANG Z T, et al. VO2thermochromic smart window for energy savings and generation[J]. Scientific reports, 2013, 3: 3029. DOI: 10.1038/srep03029.

[66] GUO F, CHEN S, CHEN Z, et al. Printed smart photovoltaic window integrated with an energy-saving thermochromic layer[J]. Advanced optical materials, 2015, 3(11): 1524-1529. DOI: 10.1002/adom.201500314.

[67] AHN N, KANG S M, LEE J W, et al. Thermodynamic regulation of CH3NH3PbI3crystal growth and its effect on photovoltaic performance of perovskite solar cells[J]. Journal of materials chemistry A, 2015, 3(39): 19901-19906. DOI: 10.1039/c5ta03990h.

[68] LIN J, LAI M L, DOU L T, et al. Thermochromic halide perovskite solar cells[J]. Nature materials, 2018, 17(3): 261-267. DOI: 10.1038/s41563-017-0006-0.

[69] XIA Y, LIANG X, JIANG Y, et al. High-efficiency and reliable smart photovoltaic windows enabled by multiresponsive liquid crystal composite films and semi-transparent perovskite solar cells[J]. Advanced energy materials, 2019, 9(33): 1900720. DOI: 10.1002/aenm.201900720.

[70] SERPE M J. Fine-tuned gel particles enable smart windows for energy efficiency[J]. Nature, 2019, 565(7740): 438-439. DOI: 10.1038/d41586-019-00084-2.

Recent Progress in Semi-Transparent Photovoltaic Devices and Their Applications

ZHENG Jie-yuan1,2,3,4, SHENG Gui-zhang1,2,3,4, CAI Xue-song1,2,3,5, ZHAO Ya-jie1,2,3,5, XIAO Xiu-di1,2,3, XU Gang1,2,3

(1. Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China; 2. CAS Key Laboratory of Renewable Energy, Guangzhou 510640, China;3. Guangdong Provincial Key Laboratory of New and Renewable Energy Research and Development, Guangzhou 510640, China;4. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 5. University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

Semi-transparent photovoltaic devices show excellent visible light transmittance and are used in glass curtain walls of architectural, which is conducive to the collection and utilization of solar energy in buildings. In recent years, the photovoltaic performance of semi-transparent photovoltaic devices is closer to that of conventional photovoltaic devices by continuous optimization of material, structure, process and other aspects, while maintaining the necessary light transmittance performance. Single photovoltaic devices, however, cannot solve the heat exchange of building, which is a large source of energy consumption. On the basis of semi-transparent photovoltaic device, taking chromogenic technology into incorporation, photovoltaic smart windows can be constructed and applied to photovoltaic buildings. Under ideal circumstances, the device can change its transmittance according to incident light as well as collect light energy to generate electricity at the meantime, and effectively reduce the energy loss caused by the energy supply of the building as well as the heat exchange of the glass at the same time under the illumination of light. Based on the research progress of semi-transparent photovoltaic devices, a brief review on some important research results of semi-transparent photovoltaic devices and photovoltaic smart windows was presented in this review, and the main optimization schemes and performance advantages and disadvantages of various devices were summarized. Finally, the application prospects of semi-transparent photovoltaic devices and photovoltaic smart windows were prospected.

building integrated photovoltaics; semi-transparent photovoltaic devices; smart photovoltaic electrochromic windows; smart photovoltaic thermochromic windows

TK519；TM914.4

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2021.06.003

2095-560X（2021）06-0461-18

收稿日期：2021-06-13

2021-07-30

廣東省自然科學(xué)基金項目（2018A0303130146）；廣州市科技計劃項目（201904010171）；廣州市重點研發(fā)計劃項目（202007020004）

通信作者：肖秀娣，E-mail：xiaoxd@ms.giec.ac.cn

鄭捷元（1999-），碩士研究生，主要從事電致變色器件的相關(guān)研究。

肖秀娣（1982-），博士，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事無機光功能薄膜的研究，在光功能薄膜的設(shè)計和理論研究、熱致變色/電致變色智能薄膜的設(shè)計和制備、光伏致色功能薄膜等領(lǐng)域開展了大量的研究。