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

光伏建筑一体化 - GiPV（光伏建筑一体化 - BIPV）是在屋顶、天窗或立面等建筑围护结构部分取代传统建筑材料的光伏材料。 它们越来越多地被纳入新建筑的建设中，作为主要或次要电力来源，尽管现有建筑也可以使用类似技术进行改造。 与通常的非集成系统相比，集成光伏发电的优势在于，初始成本可以通过减少建筑材料和劳动力的支出来抵消，而这些支出通常是建造被 BIPV 模块取代的建筑物部分所需的。 此外，当考虑建筑物的美观且传统的机架式太阳能电池板会破坏建筑物的预期外观时，BIPV 可以更广泛地采用太阳能装置。

建筑一体化光伏发电的术语 BAPV（建筑应用光伏发电）有时用于指随后集成到建筑物中的光伏系统。 大多数建筑一体化系统实际上都是 BAPV。 一些制造商和建筑商对新建筑区分 BIPV 和 BAPV。

建筑物光伏应用出现于 20 世纪 70 年代。 铝框光伏板连接或安装到建筑物上，这些建筑物通常位于无法接入电网的偏远地区。 20世纪80年代，光伏组件开始安装在屋顶上。 这些光伏系统通常安装在与电网相连的建筑物上，并且位于有集中发电厂的地区。 20 世纪 90 年代，专门设计用于集成到建筑围护结构中的 BIPV 建筑产品开始投入商用。 Patrina Eiffert 1998 年发表的一篇题​​为《BIPV 经济评估》的博士论文假设有一天可再生能源信用 (REC) 交易会产生经济价值。 美国国家可再生能源实验室2011年的经济评估和对BIPV历史的简要回顾表明，在BIPV安装成本能够与光伏系统竞争之前，仍然需要克服重大的技术挑战。 然而，越来越多的人认为，通过广泛的商业化，BIPV 系统将成为 2020 年欧洲零能耗建筑 (ZEB) 目标的支柱。 尽管技术前景广阔，但广泛使用的社会障碍也已被发现，例如建筑行业的保守文化和融入高密度城市规划。 作者指出，长期使用可能既取决于技术开发，也取决于有效的政策决策。

部分透明的太阳能模块为将光伏建筑一体化（BIPV）融入建筑和城市规划提供了一个有趣的机会。 这种新型太阳能发电很可能成为未来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，半透明太阳能模块可用于将日光引导到建筑物内部。 这不仅节省了能源，还降低了人工照明的成本。

综上所述，可以说光伏建筑一体化是一种非常高效、用途广泛的可再生能源。 它具有可持续改善建筑物能源供应的潜力。

用于地面安装和屋顶发电厂的由晶体硅制成的太阳能组件。

非晶硅薄膜太阳能光伏组件，可以是中空、浅色、红、蓝、黄，作为玻璃幕墙和透明天窗。

柔性模块上基于 CIGS（铜铟镓硒）的薄膜电池层压到建筑围护结构元件上，或者 CIGS 电池直接安装到建筑围护结构基板上。

双层玻璃太阳能电池板，内部有方形电池。

平屋顶

迄今为止最广泛使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模块中，该模块通过太阳能模块背膜和屋顶防水层之间的粘合膜固定。 一家美国公司利用铜铟镓硒（CIGS）技术，单层TPO膜的建筑一体化模块的电池效率可达到17%。

斜屋顶

太阳能屋顶瓦是带有集成太阳能模块的（陶瓷）屋顶瓦。 陶瓷太阳能屋顶瓦由一家荷兰公司于2013年开发并获得专利。

模块形状像几块屋顶瓦片。

太阳能瓦是一种外观和功能与普通瓦一样的面板，但包含柔性薄膜电池。

它们通过保护绝缘材料和薄膜免受紫外线辐射和水的损害来延长屋顶的正常使用寿命。 由于露点保持在屋顶膜之上，因此也可以防止冷凝。

金属斜屋顶（结构和建筑）现在配备了光伏功能，通过粘合独立式柔性模块或通过热和真空将 CIGS 电池直接密封到基板上。

正面

立面可以附加到现有建筑物上，使旧建筑物焕然一新。 这些模块安装在现有结构之上的建筑物立面，这可以增加建筑物的吸引力及其转售价值。

玻璃窗

光伏窗是（半）透明模块，可以取代许多通常由玻璃或类似材料制成的建筑元素，例如： B. 窗户和天窗。 它们不仅产生电能，而且由于其优异的隔热性能和太阳辐射控制，可以进一步节省能源。

光伏玻璃窗：将发电技术集成到住宅和商业建筑中开辟了更多的研究领域，更多地考虑最终产品的整体美观。 虽然目标仍然是实现高效率，但光伏窗的新发展还旨在为消费者提供最佳水平的玻璃透明度和/或从多种颜色中进行选择的能力。 可以设计不同颜色的太阳能电池板，以最佳地吸收更广泛光谱中的某些波长范围。 使用半透明、钙钛矿和染料敏化太阳能电池已成功开发出彩色光伏玻璃。

• 吸收和反射彩色光的等离子太阳能电池是采用法布里-珀罗-标准具技术开发的。 这些电池由“两个平行的反射金属膜和它们之间的介电腔膜”组成。 两个电极由 Ag 制成，它们之间的空腔由 Sb2O3 制成。 改变介电腔的厚度和折射率会改变最佳吸收的波长。 将吸收层玻璃的颜色与电池厚度和折射率最匹配的光谱特定部分相匹配，可以增强电池的颜色并最大限度地减少光电流损失，从而提高电池的美观性。 对于红光和蓝光器件，透射率分别为34.7%和24.6%。 蓝色设备可以将 13.3% 的吸收光转化为电能，使其成为开发和测试的所有彩色设备中效率最高的。
• 通过将金属纳米线的厚度分别更改为 8、20 和 45 nm，钙钛矿太阳能电池技术可以将其调节为红色、绿色和蓝色。 通过将玻璃反射率调整到每个电池最适合的波长，可实现 10.12%、8.17% 和 7.72% 的最大功率效率。
• 染料太阳能电池使用液体电解质来捕获光并将其转化为可用能量； 这与天然色素促进植物光合作用的方式类似。 虽然叶绿素是造成叶子绿色的特定色素，但其他天然色素（例如类胡萝卜素和花青素）会产生橙色和紫色的变化。 康塞普西翁大学的研究人员证明了染料敏化彩色太阳能电池的可行性，该电池既能出现又能选择性地吸收某些波长的光。 这种经济高效的解决方案使用来自马基果、黑桃金娘和菠菜的天然色素作为敏化剂。 然后将这些天然敏化剂放置在两层透明玻璃之间。 虽然这些特别低成本的电池的效率仍不清楚，但之前在有机染料电池领域的研究能够实现“9.8%的高功率转换效率”。

透明太阳能电池使用玻璃板内侧的氧化锡涂层将电力传导到电池外。 该电池含有涂有光电染料的氧化钛。

大多数传统太阳能电池使用可见光和红外光来发电。 相比之下，创新的新型太阳能电池也使用紫外线辐射。 当用作传统窗玻璃的替代品或放置在玻璃上时，安装面积可能很大，从而产生利用发电、照明和温度控制组合功能的潜在应用。

透明光伏发电的另一个名称是“半透明光伏发电”（它们只允许落在其上的一半光线通过）。 与无机光伏电池类似，有机光伏电池也可以是半透明的。

无波长选择性

一些非波长选择性光伏系统通过不透明太阳能电池的空间分割实现半透明。 该方法使用任何不透明的太阳能电池，并将多个小电池分布在透明基板上。 这种划分极大地降低了能量转换的效率并增加了传输。

非波长选择性光伏发电的另一个分支利用具有小厚度或足够大的带隙以允许光通过的可见光吸收薄膜半导体。 这些导致半透明光伏电池在效率和传输之间具有与空间分段不透明太阳能电池类似的直接权衡。

非波长选择性光伏的另一个分支使用可见光吸收薄膜半导体，其厚度小或带隙足够大，允许光通过。 这导致半透明光伏电池在效率和传输之间具有与空间分段不透明太阳能电池类似的直接折衷。

波长选择性光伏发电

波长选择性光伏发电通过使用仅吸收紫外线和/或近红外光的材料来实现透明度，于 2011 年首次推出。 尽管渗透率较高，但由于许多问题，能量转换效率较低。 这些包括小激子扩散长度、在不影响效率的情况下缩放透明电极以及由于 TPV 中使用的有机材料通常不稳定而导致的整体寿命。

透明和半透明光伏发电的创新

早期尝试开发具有非常薄的吸收可见光谱的活性层的非波长选择性半透明有机光伏电池，但只能实现低于 1% 的效率。 然而，2011年，具有有机氯铝酞菁供体（ClAlPc）和富勒烯受体的透明有机光伏电池在紫外和近红外（NIR）光谱中显示出吸收，效率约为1.3％，可见光透射率超过65％。 2017年，麻省理工学院的研究人员开发出一种方法，成功在有机太阳能电池上沉积透明石墨烯电极，使可见光透过率达到61%，效率提高了2.8-4.1%。

钙钛矿太阳能电池作为下一代光伏发电非常受欢迎，其效率超过 25%，也显示出了透明光伏发电的前景。 2015年，采用甲基铵三碘化铅钙钛矿和银纳米线栅顶电极的半透明钙钛矿太阳能电池在800 nm波长下表现出79%的透射率和约12.7%的效率。