应用于光伏型智能窗的半透明钙钛矿太阳能电池：透明度与效率间的对立统一

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新型杂化钙钛矿材料具有十分独特的光电特性，可制备成半透明太阳能电池，在建筑光伏一体化领域应用前景广阔。相较于传统的电致变色智能窗，使用钙钛矿半透明太阳能电池制备的新型光伏窗将变色玻璃与太阳能电池巧妙结合在一起，无需供电即可实现变色功能，甚至可以将储存的电能供给外部设备，引起了产业界和学术界的共同关注。

近日，吉林师范大学姜文龙教授与吉林大学段羽教授团队合作在《发光学报》发表了题为“应用于光伏型智能窗的半透明钙钛矿太阳能电池：透明度与效率间的对立统一”的文章。重点介绍了钙钛矿太阳能电池应用到绿色建筑智能窗的主要方法与目前实现钙钛矿太阳能电池透明化的主要技术，并分析了智能窗的成本与收益，展望了钙钛矿光伏型智能窗的商业应用前景。

1 引言

智能窗通过对玻璃颜色的可控改变实现对透射太阳光的调节，减少了热交换，从而达到节能减排的目的。如图1所示，常见的玻璃变色技术有电致变色、气致变色、热致变色及光致变色。然而传统的智能窗在变色过程中通常需要额外的外部供电，并且对阻隔的太阳光没有储存，太阳能利用效率较低。

光伏型智能窗的出现解决了这个难题。钙钛矿太阳能电池因其成本低廉、易大面积制备、加工工艺简单、色彩可调、能够实现对可见光透明等特点，较之晶体硅、有机太阳能电池更适合应用于新型光伏窗。

图1电致变色(a)、气致变色(b)、热致变色(c)、光致变色(d)智能窗示意图

2 光伏型智能窗的制备方法

目前制备钙钛矿光伏型智能窗主要有以下两种技术手段：

（1）分开制备变色模块与光伏模块

该方法通过结构设计将分开制备的光伏窗变色模块与光伏模块进行组合以实现光伏窗的功能（如图2所示），器件具有较高的灵活度和易于调节的透明度。然而，多数使用的是只有单一色态的钙钛矿太阳能电池，在透明度与效率间无法兼顾。

图2 钙钛矿光伏型智能窗结构示意图

（2）热致变色钙钛矿光伏窗

热致变色器件的主要工作原理是基于变色材料的相变，随着材料晶格的改变，材料对光的吸收、反射也发生了改变，导致整个器件的颜色变化。通过温度调节钙钛矿光伏窗的透明度，在深色态会获得较高的功率转换效率，但器件的色态转换较为困难，温度控制仍是后续研究的重点。

3 半透明钙钛矿太阳能电池研究进展

出于美观实用的需求，应用于光伏窗的太阳能电池需具有较高的透明度。由于钙钛矿材料普遍呈黄棕色或红棕色，因此通过制备超薄钙钛矿层（10～100 nm）来增加器件透明度是一种常用的透明化手段。但随着活性层厚度的降低，器件的功率转换效率与稳定性也有所下降。另外，使用该方法制备的半透明薄膜整体颜色偏棕，为了实现更好的颜色性能，可使用降低活性层表面覆盖率的办法（效果如图3所示）。

图3 半透明钙钛矿薄膜照片

在制备钙钛矿薄膜的过程中，通过去湿的手段形成钙钛矿岛状结构，或者使用模板法改变活性层微观结构，均可达到降低钙钛矿表面覆盖率的目的。然而，这又引出了一个新问题：电子传输层和空穴传输层的直接接触会产生分流电阻，影响器件性能。为了解决该问题，可引入钝化层（如聚苯乙烯）或者巧妙使用模板法。

虽然目前半透明钙钛矿太阳能电池的器件效率与可见光区平均透过率有了明显提升，但因为太阳能电池的固有属性，活性层对光子的吸收越多，可转化的能量越多，PCE随之升高，而AVT随之下降。因此，需要在PCE和AVT中寻找一个平衡。一个办法是使太阳能电池主要吸收非可见光，保留可见光区较高的透过率，这可能需要设计一些特殊的功能材料配合新颖的器件结构来实现。

4 展望

钙钛矿材料具有带隙可调、价格低廉、可大面积制备等特点，同时钙钛矿太阳能电池在较高透明度下的功率转换效率依然出色，并且具有优秀的颜色调节能力，可以预见其在光伏型智能窗领域广阔的商业前景。然而，目前关于钙钛矿光伏型智能窗的研究仍处于起步阶段，还存在一些问题亟需解决，如钙钛矿太阳能电池较差的长期稳定性、材料的毒性以及光伏窗中效率与透明度的取舍等问题。相信通过后续的研究，可以令光伏窗技术走进千家万户，造福于民。

通讯作者简介

姜文龙，吉林师范大学信息技术学院教授，长春理工大学、江苏大学材料学专业兼职博士研究生指导教师。吉林师范大学首届教学名师，物理电子学专业学科带头人，四平市市管优秀专家，四平市劳动模范。2005年于吉林大学获得博士学位，主要从事光电子器件的研究。

段羽，吉林大学唐敖庆特聘教授，2006年于吉林大学获得博士学位，近年来从事薄膜光电子器件的研究。发表SCI论文100余篇，授权发明专利10余项，并在国内外学术会议做特邀报告20余次，担任美国SCI杂志J.electronic materials编辑。2017年入选第七批长白慧谷人才，2018年、2020年分别获得中国商业联合会科技进步二等奖和一等奖，2018年被授予吉林省青年科技奖。

文章信息

姜欣,陈琛,于超,姜文龙,段羽. 应用于光伏型智能窗的半透明钙钛矿太阳能电池:透明度与效率间的对立统一[J]. 发光学报, 2021, 42(2):264-277.

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原标题：《发光学报 | 应用于光伏型智能窗的半透明钙钛矿太阳能电池：透明度与效率间的对立统一》