GiPV：采用部分透明太阳能组件的光伏建筑一体化——光伏建筑一体化

建筑一体化光伏（BIPV）是指在建筑围护结构（例如屋顶、天窗或外立面）的部分区域，用光伏材料替代传统建筑材料。它正日益被集成到新建建筑中，作为主要或辅助电源，现有建筑也可以通过类似技术进行改造。与传统的非集成式光伏系统相比，集成式光伏的优势在于，其初始成本可以通过减少通常用于建造被BIPV组件替代部分的建筑材料和人工成本来抵消。此外，当建筑美观性受到重视，而传统的支架式太阳能电池板会影响建筑外观时，BIPV能够使太阳能装置更容易被接受。

术语 BAPV（建筑光伏系统）有时用来指代对现有建筑进行改造的光伏系统。大多数建筑一体化光伏系统实际上都属于 BAPV。一些制造商和开发商在新建筑中会区分 BIPV 和 BAPV。

建筑一体化光伏（BIPV）应用兴起于20世纪70年代。当时，铝框光伏组件被安装在建筑物上，这些建筑物通常位于偏远地区，无法接入电网。到了20世纪80年代，屋顶光伏系统开始普及。这些光伏系统通常安装在已接入电网的建筑物上，并且位于集中式发电厂所在的区域。20世纪90年代，专为集成到建筑围护结构中而设计的BIPV产品开始商业化。帕特里娜·艾弗特（Patrina Eiffert）1998年的博士论文《BIPV的经济评估》提出假设，认为未来可再生能源证书（REC）的交易将具有经济价值。美国国家可再生能源实验室（NREL）2011年发布的一份关于BIPV的经济评估和简史报告指出，在BIPV的安装成本能够与传统光伏系统竞争之前，仍存在诸多技术挑战。然而，人们日益达成共识，认为光伏建筑一体化（BIPV）系统通过广泛的商业化，将成为欧洲2020年零能耗建筑（ZEB）目标的基石。尽管技术前景广阔，但阻碍其广泛应用的社会因素也依然存在，例如建筑行业的保守文化以及与高密度城市规划的融合。作者指出，光伏建筑一体化的长期应用可能不仅取决于技术发展，也取决于有效的政策决策。

半透明太阳能组件为将建筑光伏一体化（BIPV）融入建筑和城市规划提供了一种有趣的方式。这种新型太阳能发电方式极有可能在未来成为全球电力生产的重要组成部分。

具有部分透明太阳能模块的建筑一体化光伏发电是建造节能建筑的一个有吸引力的选择。这项技术可以帮助降低能源供应成本，同时改善建筑物的外观。

此外，半透明太阳能电池板可以将日光引入建筑物内部。这不仅可以节约能源，还可以降低人工照明成本。

总之，建筑一体化光伏发电（BIPV）是一种高效且用途广泛的可再生能源形式，具有可持续改善建筑物能源供应的潜力。

用于地面和屋顶电站的晶体硅太阳能组件。

非晶硅薄膜太阳能光伏组件，可以是空心的、轻质的，有红色、蓝色和黄色等颜色，可用作玻璃幕墙和透明天窗。

在柔性组件上层压CIGS（铜铟镓硒）薄膜电池，并将CIGS电池直接安装在建筑围护结构元件的基板上。

内部采用方形电池的双层玻璃太阳能组件。

平屋顶

目前最广泛应用的解决方案是将非晶薄膜太阳能电池集成到柔性聚合物组件中，并通过粘合膜将其固定在太阳能组件的背板和屋顶膜之间。一家美国公司利用铜铟镓硒（CIGS）技术，在单层TPO膜的建筑集成组件中实现了17%的电池效率。

坡屋顶

太阳能屋顶瓦是将太阳能组件集成到陶瓷屋顶瓦片中的一种。这种陶瓷太阳能屋顶瓦由一家荷兰公司于2013年研发并获得专利。

形状像几块屋顶瓦片的模块。

太阳能瓦片是一种外观和功能与普通瓦片相同的组件，但内部包含柔性薄膜电池。

它们通过保护屋顶的隔热层和防水层免受紫外线辐射和水损害，延长了屋顶的正常使用寿命。它们还能通过保持露点高于屋顶防水层来防止冷凝。

金属斜屋顶（包括结构性和建筑性屋顶）现在都配备了光伏功能，可以通过粘合独立式柔性组件或将 CIGS 电池直接加热和真空密封到基板上来实现。

正面

外立面可以安装在现有建筑上，赋予其全新的外观。这些模块安装在建筑立面上，覆盖在现有结构之上，可以提升建筑的吸引力和转售价值。

玻璃

光伏窗是（半）透明模块，可以替代许多通常由玻璃或类似材料制成的建筑构件，例如窗户和天窗。它们不仅可以发电，而且由于其优异的隔热性能和控制太阳辐射的能力，还能进一步节能。

光伏玻璃窗：将能源生产技术集成到住宅和商业建筑中，开辟了新的研究领域，这些领域更加注重最终产品的整体美观性。虽然实现高效率仍然是目标，但光伏窗的新发展也旨在为消费者提供最佳的玻璃透明度和/或多种颜色选择。不同颜色的太阳能电池板可以设计成能够最佳地吸收光谱中特定波长范围的光。利用半透明、钙钛矿和染料敏化太阳能电池，已经成功开发出了彩色光伏玻璃。

• 利用法布里-珀罗标准具技术开发了能够吸收和反射彩色光的等离子体太阳能电池。这些电池由两层平行的反射金属膜和夹在它们之间的介质腔膜组成。两个电极由银（Ag）制成，它们之间的腔体由氧化锑（Sb₂O₃）制成。通过改变介质腔的厚度和折射率，可以改变最佳吸收波长。将吸收层玻璃的颜色与电池厚度和折射率最适宜的特定光谱部分相匹配，既能增强电池的颜色，提高其美观性，又能最大限度地减少光电流损失。红色和蓝色器件的透射率分别达到了34.7%和24.6%。蓝色器件可以将13.3%的吸收光转化为电能，使其成为所有已开发和测试的彩色器件中效率最高的。
• 通过改变金属纳米线的厚度，钙钛矿太阳能电池可以分别针对红色、绿色和蓝色波长进行调谐，厚度分别为 8 nm、20 nm 和 45 nm。通过将玻璃反射率调整到相应电池最适用的波长，实现了 10.12%、8.17% 和 7.72% 的最大功率效率。
• 染料敏化太阳能电池利用液态电解质捕获光能并将其转化为可用能量，其原理与植物利用天然色素进行光合作用类似。叶绿素是叶片呈现绿色的特定色素，而类胡萝卜素和花青素等其他天然色素则会产生橙色和紫色等不同色调。康塞普西翁大学的研究人员已经证实了染料敏化彩色太阳能电池的可行性，这种电池不仅外观鲜艳，还能选择性地吸收特定波长的光。这种低成本方案使用从马基果、黑桃金娘和菠菜中提取的天然色素作为敏化剂。这些天然敏化剂被夹在两层透明玻璃之间。虽然这些价格低廉的电池的效率尚不明确，但此前对有机染料敏化太阳能电池的研究已实现了“9.8%的高功率转换效率”。

透明太阳能电池利用玻璃板内侧的氧化锡涂层来导电。电池内部含有涂覆有光电染料的氧化钛。

大多数传统太阳能电池利用可见光和红外线发电。相比之下，这种创新型太阳能电池还利用紫外线辐射。如果将其用作传统窗户玻璃的替代品或安装在现有玻璃上，其安装面积可以很大，从而有望实现发电、照明和温度控制等多种应用。

透明光伏电池的另一个术语是“半透明光伏电池”（它们只允许一半的入射光通过）。与无机光伏电池类似，有机光伏电池也可以是半透明的。

非波长选择性

一些非波长选择性光伏系统通过对不透明太阳能电池进行空间分割来实现半透明效果。这种方法可以使用任何类型的不透明太阳能电池，并将多个小型电池分布在透明基板上。这种分割方式会显著降低能量转换效率并提高透射率。

另一类非波长选择性光伏技术利用厚度很薄或带隙足够大的可见光吸收薄膜半导体，使光线能够透过。这种技术可以制成半透明光伏器件，其效率和透光率之间的权衡与空间分割式不透明太阳能电池类似。

另一类非波长选择性光伏技术利用厚度较薄或带隙足够大的可见光吸收型薄膜半导体，使光线能够透过。这便产生了半透明光伏器件，其效率和透光率之间的权衡关系与空间分割式不透明太阳能电池类似。

波长选择性光伏技术

波长选择性光伏器件（WSPV）通过使用仅吸收紫外光和/或近红外光的材料来实现透明化，该技术于2011年首次提出。尽管透射率较高，但由于诸多问题，其能量转换效率仍然较低。这些问题包括激子扩散长度较短、透明电极的尺寸难以在不影响效率的前提下进行缩放，以及由于WSPV中使用的有机材料固有的不稳定性而导致的整体寿命较短。

透明和半透明光伏技术的创新

早期尝试开发非波长选择性半透明有机光伏器件，其活性层极薄，仅吸收可见光，但效率低于1%。然而，2011年，采用有机氯铝酞菁（ClAlPc）供体和富勒烯受体的透明有机光伏器件，在紫外和近红外（NIR）光谱范围内实现了吸收，效率约为1.3%，可见光透过率超过65%。2017年，麻省理工学院的研究人员开发了一种将透明石墨烯电极成功沉积到有机太阳能电池上的方法，使可见光透过率达到61%，效率提高到2.8%至4.1%。

钙钛矿太阳能电池作为下一代光伏电池，因其效率超过25%而备受关注，同时也展现出在透明光伏领域的巨大潜力。2015年，一种采用甲基铵三碘化铅钙钛矿和银纳米线栅格顶电极的半透明钙钛矿太阳能电池，在800纳米波长处的透射率达到了79%，效率约为12.7%。