上海交大ACS Nano: 基于自组装光子玻璃的高效彩色太阳能光伏

第一作者：李贞鹏

通讯作者：马涛，王如竹

通讯单位：上海交通大学机械与动力工程学院、太阳能发电及制冷教育部工程研究中心

【内容简介】

建筑集成一体化光伏 (building-integrated photovoltaics, BIPV) 可以利用建筑外表面将太阳能转化为电力供建筑使用，是实现零碳建筑的重要技术。但现有晶硅光伏黑色和深蓝色的外观不利于光伏组件融入建筑景观，限制了BIPV的规模化应用。因此，相比与普通光伏组件，BIPV应该尽可能满足建筑美学所需要的外观特质，在最小化效率损失前提下，应提供不同色彩以达到合格的建筑材料。

图1. 本研究基本思路及方法

为了实现彩色光伏，需要在光伏电池或组件中加入用于产生颜色的功能层。为了最小化发电损失，如图1所示，该功能层应该选择性地反射部分可见光，从而令大部分太阳辐射穿过被光伏电池吸收。因此，为了实现高效率的彩色光伏，需要开发对太阳辐射具有高透过率的介电材料并产生结构色。现有结构色技术多基于具有严格周期性的光子晶体以及光栅等结构，难以低成本规模化制备，这严重制约了高效彩色光伏技术的发展。同时市场上现有彩色光伏产品大多采用彩釉玻璃与光伏电池层压，效率损失约为30%-60%，且成本极高。

近日，上海交通大学太阳能发电及制冷教育部工程研究中心的马涛、代彦军和王如竹等，联合香港理工大学杨洪兴教授和吕琳教授，在国际知名期刊ACS Nano上发表了题目为 “High-Efficiency, Mass-Producible, and Colored Solar Photovoltaics Enabled by Self-Assembled Photonic Glass” 的研究论文。该论文首次将光子玻璃作为彩色光伏中的颜色产生层，从而提出了一种新的高效光伏彩色化技术。研究人员成功在商业单晶硅太阳能电池上沉积了光子玻璃层，并组装产生了新型结构色（图1所示）。论文展示了发电损失低于5%的彩色电池片以及效率达21%左右的彩色组件。此外，该研究还通过加速老化测试验证了其长期稳定性，并制作了输出功率为108 W的全尺寸彩色光伏组件，证明了其实际应用的可行性，为实现高效彩色BIPV组件提供了新的思路。

该研究得到国家自然科学基金委资助（NSFC51976124）。论文被美国化学学会重点在美国科学促进会AAAS的科学媒体EurekAlert!上报道，并被ScienceDaily等几十家科学新闻媒体报道（https://acs.altmetric.com/details/134104793/news）。

【主要内容】

1.基本原理

研究人员首先通过理论研究分析了介电微球对太阳辐射的作用原理。利用介电微球对可见光产生散射作用，同时散射光之间的干涉可以对光进行选择性反射。若微球的空间分布具有周期性，所组装的结构为光子晶体，其具有显著的反射峰，但是难以实现大尺寸制备。当微球以非晶结构组装在一起时，所形成的结构被称为光子玻璃，从而能够产生结构色，这种结构色也能够在自然界中找到，如一些鸟类的羽毛。

图2. 介电微球及其组装结构产生结构色

2.彩色光伏电池开发

图3. 光子玻璃涂层对电池颜色和反射率的影响

介电微球能否在电池片表面相对均匀地形成光子玻璃对颜色的形成至关重要（图3）。研究人员首先制备了不同涂覆量和厚度的光伏电池片，确认了在晶硅电池片表面能够形成连续的光子玻璃薄膜。光谱反射率测试表明电池片在可见光波段形成了明显的反射峰，且反射率随着微球量的增加而增加，颜色也更加明亮。这些结果表明光子玻璃极具潜力实现高效彩色光伏。

图4. 彩色电池片的外观、反射率以及电学性能表征

进一步，研究人员展示了具有不同色调的彩色光伏电池片（图4）。这些电池片基于效率为22.6%的标准尺寸黑色单晶硅电池片所制作，进行微球涂覆后，它们在可见光波段的不同区域出现了反射峰和呈现出不同的颜色。电池的I-V性能测试结果则表明，电池彩色化过程仅使其短路电流略有下降，而开路电压与填充因子维持近乎不变。所展示的彩色电池片保持了21.5%以上的发电效率。

3.彩色光伏组件开发

图5. 彩色光伏组件的外观、反射率、电学性能以及耐候性测试

基于上述彩色电池片，研究人员采用与商业化组件同样的封装设备与过程，通过将电池片与玻璃盖板、EVA胶膜以及背板高温层压制作了彩色光伏组件 (图5)。组件仍然保持在可见光区变化的反射率和相应颜色。此外，研究人员还对彩色组件进行了耐候性测试，包括连续10天的户外晴天暴露以及1000 h的高温高湿 (85℃, 85% RH) 环境，结果显示老化实验后效率仅相对降低2%左右。同时，研究人员制作了全尺寸组件（输出功率大于108 W）以及更高亮度的彩色光伏组件，进一步证明了该技术在实际应用中的可行性。

【小结】

本研究提出了一种基于光子玻璃的高效彩色光伏技术。由于选择性反射以及低吸收特性，在极低效率损失的前提下实现了彩色光伏电池及组件。此外，研究结果表明该技术具有良好的耐候性，并且能够与常规光伏组件生产兼容，为彩色光伏的发展提供了新的方向和思路。

【作者简介】

第一作者：李贞鹏

上海交通大学机械与动力工程学院博士研究生，师从马涛副教授。以第一作者在ACS Nano、Solar RRL、Renew. Sust. Energy. Rev.、Appl. Energy、等期刊发表SCI论文6篇。研究方向为高效彩色太阳能光伏设计理论与技术、太阳能光伏热物理及热管理技术等。

通讯作者：马涛

上海交通大学机械与动力工程学院副教授，主要从事建筑一体化太阳能利用、新型光伏器件开发、可再生能源系统等领域研究。在ACS Nano、Solar RRL、Materials Today Energy、Applied Energy等期刊上发表SCI论文80余篇，包括14篇ESI高被引论文和2篇ESI热点论文，Google总引用超过5800次，h指数38。入选Elsevier中国高被引学者、全球前2%科学家、上海市浦江人才等。任Applied Energy、Solar Energy Materials & Solar Cells等期刊编委。

共同通讯作者：王如竹

上海交通大学讲席教授，制冷与低温工程研究所所长，教育部太阳能发电及制冷工程研究中心主任。主研制冷空调与能源利用，吸附式空气取水系统，绿色建筑能源系统，节能与储能。获国家自然科学二等奖、国家技术发明二等奖等奖励。荣获国际制冷学会Gustav Lorentzen Medal、英国制冷学会J&E Hall International Gold Medal、日本传热学会Nukiyama Memorial Award、国际能源署Peter Ritter von Rittinger International Heat Pump Award等学术奖励。任Energy deputy editor-in-chief, International Journal of Refrigeration地区主编。

【原文链接】

Li, Z., Ma, T.*, Li, S., Gu, W., Lu, L., Yang, H., Dai, Y. and Wang, R.* (2022). High-Efficiency, Mass-Producible, and Colored Solar Photovoltaics Enabled by Self-Assembled Photonic Glass. ACS Nano. 2022, 16, 7, 11473–11482

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c05840