應(yīng)用于光伏型智能窗的半透明鈣鈦礦太陽能電池：透明度與效率間的對立統(tǒng)一

姜 欣， 陳 琛， 于 超， 姜文龍*， 段 羽*

(1． 吉林師范大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院 功能材料物理與化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 吉林 長春 130103；2． 吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 集成光電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 吉林 長春 130012)

1 引 言

據(jù)2020年2月國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，我國城鎮(zhèn)化率已超過60%，而這一數(shù)值還將持續(xù)增大[1]。城市人口數(shù)量的快速增加使得城市建筑密度驟增。而且隨著人們生活水平的提高，對建筑舒適度的要求也日益增高，這勢必導(dǎo)致建筑能耗的急劇增加?！?019中國建筑能耗研究報(bào)告》指出，2017 年，我國建筑能耗(9.47 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤)在全國能源消費(fèi)總量中占比達(dá)21.10%，其中，公共建筑單位面積電耗的增長尤為明顯，由2000 年的26.42 kWh/m2增至 2017 年的 62.74 kWh/m2[2]。浙江大學(xué)鄭榮進(jìn)等的研究表明，窗戶作為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中對外開口的部位，經(jīng)由其損失的照明、空調(diào)、采暖能耗超過建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)能源消費(fèi)總量的50%[3]。因此，開發(fā)可以減少窗戶能源耗散的智能窗(Smart windows)十分必要。

傳統(tǒng)的智能窗通過對玻璃顏色的可控改變實(shí)現(xiàn)對太陽光透射的調(diào)節(jié)，減少了熱交換，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。常用的玻璃變色技術(shù)包括：電致變色[4-7](圖1(a))，氣致變色[8-9](圖1(b))，熱致變色[10-12](圖1(c))，光致變色[13-14](圖1(d))。目前，電致變色技術(shù)由于不依賴于開采難度較大的稀土元素，并且電致變色器件中的電解質(zhì)可以基于生態(tài)友好的生物混合物[15-16]，最為廣泛應(yīng)用在智能窗領(lǐng)域。該技術(shù)最早由Lampert和Svensson于1984年提出[17-18]，然而，由于電致變色較為復(fù)雜的機(jī)理與材料制備工藝，在當(dāng)時(shí)沒有得到大規(guī)模推廣[19]。

2008年，波音787飛機(jī)使用了電致變色的智能窗玻璃，有5檔明暗度調(diào)節(jié)，如圖2所示。

但是，傳統(tǒng)的電致變色智能窗，通常需要額外的外部供電，并且對阻擋的太陽光沒有儲(chǔ)存，造成了一定的能源浪費(fèi)。為進(jìn)一步開發(fā)利用太陽能，新型智能窗——光伏型智能窗應(yīng)運(yùn)而生。其設(shè)計(jì)思想是把變色玻璃與太陽能電池結(jié)合在一起，真正做到在利用太陽能的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)變色功能，同時(shí)免除外部供電，實(shí)現(xiàn)能源利用最大化。

圖1 電致變色(a)、氣致變色(b)、熱致變色(c)、光致變色(d)智能窗示意圖。

圖2 波音787飛機(jī)智能玻璃[20]

2017年，商用太陽能電池出貨量的市場占有率分別為單晶硅(49%)、多晶硅(46%)、碲化鎘(CdTe)(3%)、銅銦鎵硒(CIGS)(2%)等[21]。表1總結(jié)了使用不同光伏技術(shù)太陽能電池的主要性能參數(shù)。晶體硅是應(yīng)用最為廣泛的太陽能電池，然而，其本身是不透光的，且單晶硅的成本高昂，加工工藝也較為復(fù)雜；多晶硅雖然降低了成本，但犧牲了一定的轉(zhuǎn)換效率，因此不適合應(yīng)用到新型智能窗[26]。

表1 不同光伏技術(shù)性能參數(shù)總結(jié)

有機(jī)太陽能電池由于加工工藝較為簡單，且透明度可調(diào)節(jié)，材料價(jià)格比無機(jī)太陽能電池更低，可應(yīng)用于新型光伏型智能窗。但是，其載流子遷移率較低，效率方面也差強(qiáng)人意，限制了其在工業(yè)上的發(fā)展[27]。

近年來，鈣鈦礦太陽能電池(Perovskite solar cells,PSCs)因其成本低廉、易大面積制備、加工工藝簡單、色彩可調(diào)、并且能夠?qū)崿F(xiàn)對可見光透明等特點(diǎn)，引起了學(xué)界的廣泛關(guān)注。使用鈣鈦礦制備的半透明光伏器件，具有易調(diào)節(jié)的功率轉(zhuǎn)換效率(Power conversion efficiency，PCE)與可見光區(qū)平均透過率(Average visible transmittance,AVT)，在光伏窗領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[28-33]。

綜上所述，人口發(fā)展和全球能源危機(jī)等因素使新型光伏型智能窗的設(shè)計(jì)與研發(fā)日益迫切，然而在技術(shù)層面仍然有一些問題尚未解決。第一，太陽能電池的機(jī)理是將吸收的太陽能轉(zhuǎn)化為電能，光伏窗的透明度與能源利用效率之間無法兼顧；第二，由于目前光伏窗的制備技術(shù)仍不完備，因此尚不能達(dá)成大規(guī)模批量生產(chǎn)；第三，光伏模塊的成本較為高昂，不利于推廣使用。針對上述問題，未來可使用噴墨打印、絲網(wǎng)印刷等技術(shù)制備光伏窗，也可調(diào)整器件結(jié)構(gòu)，使用金屬納米線或石墨烯等新型透明電極提高器件透明度。本文就光伏型智能窗及半透明鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展現(xiàn)狀做了詳細(xì)總結(jié)，闡述了光伏窗的透明度與效率間的對立與統(tǒng)一，通過分析成本與收益展望了光伏窗的應(yīng)用前景。

2 光伏型智能窗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，鈣鈦礦光伏型智能窗領(lǐng)域內(nèi)比較常見的變色技術(shù)是電致變色和熱致變色。電致變色器件的變色原理通常基于氧化還原反應(yīng)，如圖1(a)所示，在外加電場下，電致變色層中發(fā)生了離子的注入和抽出，使整個(gè)電致變色器件出現(xiàn)了著色和褪色的變化[4-7]。熱致變色(圖1(c))器件的主要工作原理是基于變色材料的相變，隨著材料晶格的改變，材料對光的吸收、反射也發(fā)生了改變，導(dǎo)致整個(gè)器件的顏色變化[10-12]。

理想的光伏型智能窗需要快速可逆的顏色變換，變換過程中不需要外部供電，經(jīng)過多次循環(huán)使用后效率降低不明顯，并且能夠儲(chǔ)存智能窗收集到的電能，供給家庭用電所需。然而，由于材料和技術(shù)的限制，目前的光伏型智能窗仍不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)以上功能。

圖3(a)展示了浙江大學(xué)Xia等在2016年設(shè)計(jì)的基于鈣鈦礦的光伏型智能窗的結(jié)構(gòu)，在智能窗內(nèi)整合了鈣鈦礦電池和固態(tài)電致變色電池，具有太陽能收集、電化學(xué)存儲(chǔ)和再利用功能——鈣鈦礦太陽能電池收集到的電能存儲(chǔ)在電致變色玻璃中，為外部設(shè)備(如LED燈)供電。伴隨著固態(tài)電致變色電池能量的存儲(chǔ)與釋放，智能窗實(shí)現(xiàn)了高度可逆的藍(lán)色態(tài)和透明態(tài)間的轉(zhuǎn)換，并且在紅外區(qū)域的光學(xué)調(diào)節(jié)能力尤為突出——2 000 nm處的透過率從藍(lán)色態(tài)的69%降到了透明態(tài)的7%[34]。這項(xiàng)工作解決了光伏窗太陽能的存儲(chǔ)問題，然而，由于制備的鈣鈦礦電池不是透明的，沒有集成到可變色的大面積窗玻璃中，太陽能利用率較低。

圖3 (a)基于鈣鈦礦的光伏型智能窗結(jié)構(gòu)[34]；(b)共陽極PVCS的光充電過程和放電過程的電壓-時(shí)間曲線[35]；(c)共陰極PVCS的光充電過程和放電過程的電壓-時(shí)間曲線[35]；(d)基于鈣鈦礦的熱致變色光伏型智能窗的器件結(jié)構(gòu)與變色過程示意圖[36]。

同年，中國香港理工大學(xué)Chai等設(shè)計(jì)了一種新型光伏電致變色超級電容器(Photovoltachromic supercapacitors，簡稱PVCSs)，解決了上文所述智能窗太陽能利用率較低的問題。該器件集成了鈣鈦礦太陽能電池與電致變色超級電容器，實(shí)現(xiàn)了太陽能的收集與存儲(chǔ)。在共陽極與共陰極結(jié)構(gòu)PVCSs中，光伏組件的PCE分別為8.25%與11.89%，如圖3(b)和3(c)所示，其在儲(chǔ)能的同時(shí)，電致變色電容器的顏色由半透明變?yōu)樯钏{(lán)色(共陽極(共陰極)結(jié)構(gòu)PVCSs變色層在可見光區(qū)的平均透過率(AVT)由85%(76.2%)降至35.1%(23.0%))，阻擋了大部分光照，電容器自動(dòng)停止充電，防止了PSCs長時(shí)間曝光，延長了其壽命[35]。

由于鈣鈦礦光伏窗顏色變換的速度普遍較為緩慢，2017年，針對該問題，美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室Wheeler等設(shè)計(jì)了基于鈣鈦礦的熱致變色光伏型智能窗。器件結(jié)構(gòu)及變色原理如圖3(d)所示。器件經(jīng)過太陽光輻射加熱，分解出CH3NH2，可見光透射率從68%逐漸下降到低于3%，顏色變?yōu)樯罴t，PCE達(dá)到了11.3%，冷卻后重新形成CH3NH3PbI3·xCH3NH2，恢復(fù)至透明狀態(tài)。該器件可在3 min內(nèi)實(shí)現(xiàn)顏色變換。然而，器件的穩(wěn)定性較差，經(jīng)過20次循環(huán)，最大電流從1 mA降至0.18 mA[36]。

隨后，在2018年，美國加州大學(xué)伯克利分校Yang等設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)為Glass/FTO/NiOx/CsPbI3-x-Brx/ZnO/Al-doped ZnO/ITO的基于鈣鈦礦的熱致變色光伏型智能窗，引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。研究表明，當(dāng)吸光層為CsPbIBr2時(shí)，器件可在低溫相的可見光透過率81.7%和高溫相的可見光透過率35.4%間相互轉(zhuǎn)換，相應(yīng)的PCE為0.15%和4.69%。該結(jié)構(gòu)顯著提升了器件的循環(huán)穩(wěn)定性，在經(jīng)過40次循環(huán)測試后，峰值PCE仍保持在85%以上[37]。遺憾的是，該器件的相變溫度高達(dá)105 ℃，不能直接應(yīng)用到實(shí)際的光伏型智能窗中。

為了解決光伏窗顏色變換溫度過高的問題，2019年，江漢大學(xué)Liu等設(shè)計(jì)了雙層鈣鈦礦光伏型智能窗，內(nèi)層為液晶/聚合物復(fù)合材料(LCPC)層，以控制智能窗的透明度，外層為半透明的鈣鈦礦太陽能電池，提供電能。在高溫狀態(tài)(37.8～67 ℃)下，智能窗由半透明轉(zhuǎn)為不透明的紅橙色，再經(jīng)過電場，可以實(shí)現(xiàn)不透明到半透明的轉(zhuǎn)換，即在高溫情況下光伏窗也可以是半透明的。平均PCE在低溫半透明狀態(tài)、高溫半透明狀態(tài)和高溫不透明狀態(tài)下分別為16.66%±1.0%、16.60%±0.9%、17.84%±0.9%[38]。這項(xiàng)工作為鈣鈦礦光伏窗的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，其優(yōu)秀的PCE性能、良好的循環(huán)穩(wěn)定性、貼合實(shí)際的顏色轉(zhuǎn)換溫度，為接下來的研究指引了方向。

綜上，制備鈣鈦礦光伏型智能窗的技術(shù)手段主要有兩種：第一種將光伏窗中變色模塊和光伏模塊分開制備，再通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)組合到一起以實(shí)現(xiàn)光伏窗的功能。這種方法可以很方便地調(diào)節(jié)窗戶的透明度，然而多數(shù)使用的是只有單一色態(tài)的鈣鈦礦太陽能電池，在透明度與效率間無法兼顧。另一種是直接制備熱致變色的鈣鈦礦光伏窗，通過溫度調(diào)節(jié)器件的透明度，在深色態(tài)器件會(huì)獲得較高的PCE,但器件的色態(tài)轉(zhuǎn)換較為困難，溫度控制仍是后續(xù)研究的重點(diǎn)。盡管目前基于鈣鈦礦的光伏型智能窗已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換效率的飛躍，顏色調(diào)節(jié)、能量存儲(chǔ)等功能也日趨完善，但是想要真正實(shí)現(xiàn)商用，鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性以及鉛的毒性等問題都亟需解決。

3 半透明鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展現(xiàn)狀

鈣鈦礦材料因其獨(dú)特的光電特性，所制備的鈣鈦礦太陽能電池已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)超過25%的光電轉(zhuǎn)換效率[39-40]，可與目前大規(guī)模應(yīng)用的硅電池相媲美。通過調(diào)節(jié)鈣鈦礦的帶隙，或者改變鈣鈦礦在電池中的布局結(jié)構(gòu)(比如減少鈣鈦礦層的厚度、降低其表面覆蓋率)，可以實(shí)現(xiàn)器件的半透明化[41]，為制造鈣鈦礦光伏型智能窗提供了可能。

對于智能窗應(yīng)用，半透明鈣鈦礦太陽能電池需要具有以下特性：較高的可見光區(qū)平均透過率(Average visible transmittance,AVT)、較大的顏色對比度及較好的顯色指數(shù)(Color rendering index，CRI)。

3.1 超薄鈣鈦礦層

通過減薄鈣鈦礦層的厚度，可以增加半透明太陽能電池的透射率。2015年，澳大利亞莫納什大學(xué)Cheng等使用約50 nm厚的CH3NH3PbI3層以及電介質(zhì)-金屬-電介質(zhì)(DMD)(MoO3-Au-MoO3)透明電極，制備的半透明鈣鈦礦太陽能電池實(shí)現(xiàn)了31%的AVT與5.3%的PCE。如果增加CH3NH3PbI3層的厚度(約290 nm)，相應(yīng)的PCE也會(huì)增加(13.6%)，但AVT降至7%[42]。2016年，中國香港科技大學(xué)Yang等基于約100 nm厚的超薄鈣鈦礦層，使用PEDOT∶PSS作為背電極，制備了雙支架(準(zhǔn)介孔TiO2作無機(jī)支架，苯基-C61-丁酸異甲酯(PCBM)網(wǎng)作有機(jī)支架)半透明鈣鈦礦太陽能電池。這種特殊的雙支架結(jié)構(gòu)改善了電荷收集效率，最后得到了8.21%的PCE和23%的AVT[43]。2019年，澳大利亞新南威爾士大學(xué)Upama等在低溫環(huán)境下，用溶液處理的方式制備了具有n-i-p結(jié)構(gòu)的半透明鈣鈦礦太陽能電池，所使用的MoO3/Ag/MoO3背電極厚度僅為51 nm。通過改變鈣鈦礦層的厚度，實(shí)現(xiàn)對器件透明度的調(diào)節(jié)，當(dāng)MAPbI3厚度為40 nm時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)AVT最大值20.5%，此時(shí)PCE約為3.5%[44]。

圖4 使用微凝膠輔助制備半透明鈣鈦礦薄膜過程示意圖[45]

雖然減小鈣鈦礦層厚度的方法可以增加太陽能電池的透明度，但它卻犧牲了器件的PCE和穩(wěn)定性。2019年，英國曼徹斯特大學(xué)Saunders等針對鈣鈦礦薄膜的均勻性覆蓋問題，如圖4所示，在制備CH3NH3PbI3(MAPbI3)的鈣鈦礦薄膜的過程中使用亞微米級的可膨脹聚合物膠體顆粒做添加劑，10 nm的半透明薄膜下AVT達(dá)到了46.8%，PCE也達(dá)到了7.69%，展現(xiàn)了其應(yīng)用于半透明光伏型智能窗的巨大潛力[45]。

3.2 降低活性層表面覆蓋率

由于鈣鈦礦本身呈現(xiàn)黃棕色或者紅棕色，由超薄鈣鈦礦層制備的鈣鈦礦太陽能電池也避免不了顏色偏棕，限制了其在光伏型智能窗上的應(yīng)用。另一種比較常見的實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦太陽能電池半透明化的方法是降低活性層的覆蓋率，可以實(shí)現(xiàn)中性色的半透明鈣鈦礦太陽能電池。

2014年，英國牛津大學(xué)Snaith等通過去濕來控制鈣鈦礦薄膜的形態(tài)，形成鈣鈦礦“島”狀結(jié)構(gòu)，所制備的半透明太陽能電池結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示，在7%～30%的AVT下，PCE約為8%～3.5%。圖5(b)展示了制備在玻璃上的鈣鈦礦薄膜，表現(xiàn)出了優(yōu)秀的中性色。將D102染料溶解于Spiro-OMeTAD中，器件呈現(xiàn)出了漂亮的“玫瑰色”，如圖5(c)所示[29]。這項(xiàng)工作體現(xiàn)了良好的顏色性能，為之后的研究提供了很好的思路。

2016年，韓國慶熙大學(xué)Im等采用島狀結(jié)構(gòu)的MAPbI3制備中性色的半透明鈣鈦礦太陽能電池。為了解決電子傳輸層TiO2和空穴傳輸層PTAA因直接接觸引起的載流子復(fù)合問題，引入聚苯乙烯(PS)作鈍化層。器件反向掃描PCE為10.6%，AVT為20.9%，同時(shí)也表現(xiàn)出了優(yōu)秀的穩(wěn)定性，30 d效率僅下降5%[46]。

圖5 (a)鈣鈦礦太陽能電池結(jié)構(gòu)圖[29]；(b)半透明鈣鈦礦薄膜照片[29]；(c)添加D102染料(右)與沒添加(左)的器件對照圖[29]。

2018年，韓國全北國立大學(xué)Hahn等在大氣環(huán)境下用溶液法制備了島狀結(jié)構(gòu)(MAPbI3-xClx-NiO納米顆粒)的半透明鈣鈦礦太陽能電池，并使用Al2O3/NiO界面工程來降低界面復(fù)合，器件在AVT為27%的情況下，PCE可達(dá)到10%。同時(shí)，器件展現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性，在25～30 ℃和45%～50%濕度的大氣環(huán)境下存放270 d后，未經(jīng)封裝的器件仍能保持在初始PCE的93%[47]。這項(xiàng)工作不僅制備條件較為寬松，器件的穩(wěn)定性也十分優(yōu)秀，具有廣闊的應(yīng)用前景。

除了構(gòu)建鈣鈦礦“島”來實(shí)現(xiàn)活性層覆蓋率的降低，還可以通過改變鈣鈦礦微觀結(jié)構(gòu)的方式。2015年，英國牛津大學(xué)Snaith等以PS為模板制備了SiO2蜂窩薄膜，鈣鈦礦隨后滲透其中，形成了具有特殊圖案的鈣鈦礦薄膜，制備的器件具有較高的AVT(37%)，同時(shí)PCE也高達(dá)9.5%。相比他們之前以去濕技術(shù)制備的基于島狀鈣鈦礦的半透明太陽能電池，器件的PCE和AVT都有了明顯的提升，這是由于該結(jié)構(gòu)提升了開路電壓Voc與填充因子FF。SiO2蜂窩薄膜另一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)在于分離了電子傳輸層和空穴傳輸層，避免了分流電阻的產(chǎn)生[48]。

2016年，韓國延世大學(xué)Moon等使用陽極氧化鋁(AAO)作為支架，將鈣鈦礦通過旋涂滲入其中，形成納米柱狀結(jié)構(gòu)，抑制了離子遷移，從而使器件的穩(wěn)定性有所增強(qiáng)。使用AAO模板可以很方便地控制鈣鈦礦的高度與體積，改變器件的透過率。經(jīng)過優(yōu)化的器件在PCE為9.6%時(shí)，AVT為33.4%；PCE為7.5%時(shí)，AVT達(dá)到41.7%[49]。最近，Moon等基于之前的工作，制備了40.8 cm2半透明鈣鈦礦太陽能組件，器件結(jié)構(gòu)如圖6(a)所示，其包含9個(gè)子電池，PCE和AVT分別為9.04%和30.2%[30]。這項(xiàng)工作表明鈣鈦礦材料在制備大面積半透明太陽能電池這方面可以有十分優(yōu)秀的表現(xiàn)，是光伏型智能窗的最佳候選材料之一。

2018年，新加坡南洋理工大學(xué)Wong等設(shè)計(jì)了一種制備鈣鈦礦網(wǎng)格的1.5步沉積法，如圖6(b)所示。他們先是沉積具有網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦，隨后將其浸入到碘化甲脒(FAI)與異丙醇(IPA)的熱溶液中，該方法使網(wǎng)格孔隙填充得更好，同時(shí)也提高了晶體的質(zhì)量，提升了穩(wěn)定性。器件在28%的AVT下PCE也可以達(dá)到10%，表現(xiàn)出了較為優(yōu)秀的光電性能[50]。由于采用了絲網(wǎng)印刷技術(shù)，可以預(yù)期其在制備大面積鈣鈦礦太陽能電池方面廣闊的應(yīng)用前景。

圖6 (a)使用AAO支架的鈣鈦礦太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖與橫截面形貌圖[30]；(b)制備鈣鈦礦網(wǎng)格的1.5步沉積法[50]。

除了上述制備半透明鈣鈦礦太陽能電池的方法，還有一些其他技術(shù)值得關(guān)注，比如無鉛的半透明器件。2020年，北京大學(xué)Xiao等使用無鉛鹵化物雙鈣鈦礦制備了半透明太陽能電池，器件結(jié)構(gòu)為ITO/SnO2/Cs2AgBiBr6/Spiro-OMeTAD/MoO3/ITO，盡管PCE稍低(1.56%)，但AVT高達(dá)72.6%，Cs2AgBiBr6薄膜可吸收約90%的紫外光，器件表現(xiàn)出了優(yōu)秀的紫外防護(hù)性能。在實(shí)際應(yīng)用中，可以結(jié)合紅外防護(hù)器件，保留可見光區(qū)的光透射，同時(shí)降低由紅外光引起的溫度升高以及紫外光對人體造成的傷害[51]。

表2總結(jié)了制備半透明鈣鈦礦太陽能電池的技術(shù)方法及其性能。雖然目前半透明鈣鈦礦太陽能電池在智能窗應(yīng)用領(lǐng)域中的器件效率與可見光區(qū)平均透過率已有了較大進(jìn)展，然而，其在大面積半透明器件上的應(yīng)用報(bào)道較少，距離實(shí)際應(yīng)用仍有明顯差距。因此，制備大面積光伏器件仍是以后研究的重點(diǎn)。

表2 半透明鈣鈦礦太陽能電池的技術(shù)方法與性能總結(jié)

表2(續(xù))

4 光伏型智能窗的透明度與效率間的對立統(tǒng)一關(guān)系

光是我們工作和生活中必不可少的因素，光的直接照射可以給我們帶來光明，光的反射可以讓我們看清物體。意大利那不勒斯費(fèi)德里克二世大學(xué)Bellia等的研究表明，不適當(dāng)或者不充分的光照會(huì)對人的生活節(jié)律造成影響[54]。出于對健康、實(shí)用和美觀等方面的需求，光伏型智能窗需要具有較高的透明度，AVT至少要達(dá)到25%。然而，更高的AVT通常意味著較薄的鈣鈦礦層，直接影響智能窗的光電轉(zhuǎn)換效率。

2017年，日本東京大學(xué)Tatsuma等在制備半透明鈣鈦礦太陽能電池時(shí)考慮到了人眼對不同波長的光所感受到的明暗程度不同。在光線充足的條件下，人眼對550 nm的綠色光最敏感，視見函數(shù)曲線如圖7所示。制備的器件主要在深紅和深藍(lán)等人眼不太敏感的光區(qū)收集光子，因此可以提供視覺上較為透明的器件[55]。

一般來說，半透明鈣鈦礦太陽能電池的顏色主要取決于鈣鈦礦中X點(diǎn)位的元素種類和器件的吸收光譜。表3總結(jié)了目前一些典型的半透明鈣鈦礦光伏型智能窗活性層使用的材料及相應(yīng)的深色、淺色態(tài)的PCE與AVT，并估算了其在可見光區(qū)內(nèi)的透射光譜。由于太陽能電池的固有屬性，活性層對光子的吸收越多，可轉(zhuǎn)化的能量越多，PCE隨之升高，而AVT隨之下降。因此，需要在PCE和AVT中尋找一個(gè)平衡。一個(gè)辦法是讓太陽能電池主要吸收非可見光，保留可見光區(qū)較高的透過率，這可能需要設(shè)計(jì)一些特殊的功能材料配合新穎的器件結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。

圖7 視見函數(shù)曲線[55]

表3 半透明鈣鈦礦光伏型智能窗參數(shù)總結(jié)

5 光伏型智能窗發(fā)展前景

5.1 光伏型智能窗用戶調(diào)研

為了考察用戶對光伏窗的接受程度，我們對吉林省長春市的居民進(jìn)行了問卷調(diào)研，共發(fā)放220份調(diào)查問卷，收到194份回執(zhí)，回收率為88.18%。調(diào)查結(jié)果如圖8所示，約有71%的居民對光伏型智能窗的使用壽命期望年限在15～25年之間，約86%的居民希望將成本控制在每平方米2 000元以內(nèi)，約48%居民希望能在10～15年內(nèi)回本(即通過光伏發(fā)電的方式，收益能夠抵消前期的資金投入與每年的維護(hù)費(fèi)用)。

5.2 光伏型智能窗成本分析

我國戶用分布式光伏安裝主要有三種運(yùn)營模式：全部自用，全部上網(wǎng)，自發(fā)自用、余電上網(wǎng)[57]。其中，大多數(shù)家庭選擇“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”[58]。本文從“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”的角度進(jìn)行成本核算，具有較為廣泛的意義。

投資方面，主要考慮光伏模塊成本Cpvm、逆變器成本Cinv、線纜和支架等成本Coth以及每年的維護(hù)成本Cmai。公式為：

C=Cpvm+Cinv+Coth+Cmai×N-Csv，

(1)

其中，C為總投資，N為使用年限，Csv為固定資產(chǎn)殘值。

圖8 居民對光伏型智能窗的期望壽命(a)、期望成本(b)、期望回本時(shí)間(c)。

收益方面，主要包括“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”中上網(wǎng)的收入和因發(fā)電節(jié)省的電費(fèi)，考慮到政策變化產(chǎn)生的影響，因此不把國家和地方政府的政策補(bǔ)貼計(jì)算在內(nèi)。公式為：

E=(Pu×Bu+Po×Bo)·N，

(2)

其中，E為總收益，Pu為每年自用的電量，Po為每年上網(wǎng)的電量，Bu為每千瓦時(shí)的市價(jià)電費(fèi)，Bo為每千瓦時(shí)的上網(wǎng)收入，N為使用年限。

光伏型智能窗的年發(fā)電量方面，計(jì)算公式如下：

P=Pu+Po，

(3)

P=R×T×A，

(4)

其中，P為每年發(fā)電量，R為太陽年總輻射量，T為光伏窗太陽能轉(zhuǎn)換效率，A為光伏窗的面積。

下面以吉林省長春市為例，對光伏窗的成本進(jìn)行核算。

目前，長春市的電價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為：年用電量低于2 040 kWh，Bu=0.525 0元。按照國家發(fā)展改革委制定的集中式光伏發(fā)電指導(dǎo)價(jià)，吉林省0.4元/kWh，即Bo=0.4元。

據(jù)國家能源局發(fā)布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2019年，城鄉(xiāng)居民生活用電量為10 250億千瓦時(shí)[59]；根據(jù)中國人口與發(fā)展研究中心的預(yù)測，2020年我國家庭戶數(shù)量約為4.57億[60]。經(jīng)過計(jì)算，平均每戶家庭每年用電量約為2 243 kWh?？紤]到陰雨天氣以及夜晚期間光伏窗發(fā)電大大降低，用戶需使用電網(wǎng)供電，因此Pu<2 243，為簡化計(jì)算，令Pu=2243×60%。

長春市太陽年總輻射的觀測值為4 941.793 3 MJ/m2[61]，換算后為1 372.7 kWh/m2，即R=1 372.7 kWh/m2。

假設(shè)每年的維護(hù)成本Cmai是光伏模塊成本Cpvm、逆變器成本Cinv、線纜和支架等成本Coth和的2%，固定資產(chǎn)殘值Csv每年減少Cpvm、Cinv、Coth和的5%，光伏窗面積A=20 m2(根據(jù)《綠色建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》，在居住建筑中，20%的窗地面積比評分最高[62]，為計(jì)算方便，令A(yù)=20)，光伏窗太陽能轉(zhuǎn)換效率T為20%(目前鈣鈦礦太陽能電池效率高達(dá)25.5%[40]，此處為簡化計(jì)算，令T=20%)。

經(jīng)過計(jì)算，當(dāng)Cpvm+Cinv+Coth= 33 779.2元時(shí)，可以達(dá)到投資與收益的平衡。

5.3 光伏產(chǎn)業(yè)政策扶持

截至目前，全世界有超過10個(gè)國家或地區(qū)在分布式儲(chǔ)能方面提供了補(bǔ)貼政策[63]，我國在近年來也大力支持光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。2020年4月，《關(guān)于2020年光伏發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)政策有關(guān)事項(xiàng)的通知》中指出，在戶用分布式光伏發(fā)電方面，補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)為0.08元/kWh[64]。除了國家補(bǔ)貼，各地也出臺(tái)了相應(yīng)的補(bǔ)貼扶持政策。在政策的利好下，光伏技術(shù)不斷成熟，成本隨之下降。因此，如圖9所示，國家補(bǔ)貼也在逐年下調(diào)?？梢灶A(yù)期在不久的將來，光伏發(fā)電將實(shí)現(xiàn)平價(jià)上網(wǎng)，讓光伏技術(shù)走進(jìn)千家萬戶。

圖9 2017—2020年國家發(fā)展改革委制定的光伏發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)

6 總 結(jié)

鈣鈦礦材料因其帶隙可調(diào)、價(jià)格低廉、可大面積制備等特點(diǎn)，在半透明太陽能電池和光伏型智能窗領(lǐng)域均有著優(yōu)秀的表現(xiàn)。制備光伏型智能窗的技術(shù)方法是十分多樣的，本文介紹了使用鈣鈦礦材料制備光伏窗的最新進(jìn)展，并對半透明鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展現(xiàn)狀做了詳細(xì)的說明，展現(xiàn)其可應(yīng)用于光伏窗的良好性能：在較高透明度下功率轉(zhuǎn)換效率依然出色、可制備成中性色、具有優(yōu)秀的顏色調(diào)節(jié)能力。另外，我們從光伏窗成本的角度對其進(jìn)行了分析，可以預(yù)見其廣闊的商業(yè)前景。但是，目前鈣鈦礦光伏型智能窗的研究領(lǐng)域內(nèi)仍存在著一些問題亟需解決，歸納為以下幾點(diǎn)：(1)鈣鈦礦熱致變色光伏窗不同色態(tài)間的轉(zhuǎn)換條件較為苛刻，在溫度控制方面仍有待后續(xù)研究；(2)鈣鈦礦太陽能電池的長期穩(wěn)定性較差，需加強(qiáng)對器件的封裝，選擇循環(huán)穩(wěn)定性更好的材料；(3)鈣鈦礦電池中鉛的毒性較大，應(yīng)替換為其他無毒或低毒的材料，比如錫；(4)目前半透明鈣鈦礦太陽能電池的面積較小，不能達(dá)到窗戶所需尺寸，需設(shè)計(jì)大面積適用的器件結(jié)構(gòu)；(5)光伏窗中效率與透明度在一定程度上存在著取舍問題，后續(xù)的研究重點(diǎn)可放在探索吸收紫外光和紅外光的新型材料上。