基于准有序光子颜料结构着色的高效彩色光伏组件研究

《Nexus》：Structural Coloring of Solar Photovoltaics with Quasi-ordered Photonic Pigments

本研究针对建筑一体化光伏(BIPV)因传统黑色组件美观性不足而受限的问题，开发了一种基于准有序光子结构的彩色光伏技术。研究人员受鸟类羽毛结构色启发，通过二氧化硅微球与聚丙烯酸酯制备的光子颜料实现可见光选择性散射，使硅太阳能电池在保持19.4%-21.2%转换效率的同时呈现天空蓝、灰白等自然色彩。该技术将建筑光伏系统发电潜力提升33%-54%，为可持续城市建设提供了创新解决方案。

　　

随着全球建筑能耗持续增长，太阳能光伏技术已成为实现建筑碳中和的关键路径。然而传统黑色光伏组件与建筑外观的协调性差，严重制约了其在立面等可见部位的推广应用。当前彩色光伏技术普遍面临效率损失大（通常低于15%）、色彩饱和度不足以及制造成本高等多重挑战，亟需开发新型着色方案。

在这项发表于《Nexus》的研究中，上海交通大学李振鹏团队受蓝羽鸟类的羽毛结构启发，创新性地提出了仿生光学设计。研究团队发现欧亚松鸦的蓝色羽毛是由β-角蛋白与空气组成的海绵状层（具短程有序长程无序特征）与底层黑色素协同作用产生结构色。基于此机理，他们设计出类似结构的光伏组件：透明玻璃盖板（对应羽毛皮层）、准有序光子结构着色层（对应海绵层）和高效黑色太阳能电池（对应黑色素颗粒）。

研究团队开发了独特的离心-浸润-固化-研磨(CICG)制备工艺，成功研制出二氧化硅-聚丙烯酸酯结构色(SPSC)颜料。该颜料由单分散二氧化硅微球（直径174-247纳米）与三种不同折射率的丙烯酸酯（ETPTA、PEA、OPPEA）组成，通过紫外固化稳定其准有序光子结构。小角X射线散射(SAXS)分析证实颜料具有各向同性的准有序结构，空间有序范围约331纳米，相当于微球直径的两倍，这种结构有效避免了虹彩效应。

光学性能调控实验表明，通过调整微球尺寸和基质折射率可实现从蓝色到灰白色的色彩调控。当微球直径从174纳米增至247纳米时，反射峰位从蓝光区红移至绿光区；而使用高折射率OPPEA时，反射峰更强更宽，颜色更明亮。值得注意的是，由于准有序光子材料的本征限制，难以实现角度无关的红色。

研究人员将SPSC颜料通过丝网印刷技术集成到工业级背接触(IBC)硅太阳能电池组件中，制备出多种色彩的52×52毫米²光伏模块。光谱测试显示，着色组件在可见光区具有明显的选择性反射峰，而在近红外区反射率仅轻微增加。外量子效率(EQE)分析表明效率损失主要集中于可见光波段，短路电流密度(J_sc)损失控制在2.1毫安/厘米²以内。

性能测试结果显示，采用ETPTA基颜料的组件（a1、b1、c1）效率保持在21%左右，相对损失仅1.9%-5.2%；而高亮度OPPEA基组件（a2、b2、c2）效率仍达19.4%-17.8%。与传统吸收型颜料相比，SPSC颜料将组件效率提升超50%，且色彩更加鲜艳。

在实际应用验证中，团队采用标准工业层压工艺制造了全尺寸彩色光伏组件。浅蓝、浅青和灰白色组件的效率分别达到21.21%、20.25%和19.99%，较黑色组件（22.40%）损失控制在10%以内。全球10个主要城市的模拟数据显示，通过立面部署这些美观组件，建筑光伏系统年发电量可提升33%-54%，其中香港、圣保罗等高密度城市增幅尤为显著。

该研究的关键技术方法包括：采用两步法合成单分散二氧化硅微球；通过CICG工艺制备SPSC颜料；利用丝网印刷技术将颜料集成于光伏组件封装层；采用紫外-可见-近红外分光光度计与积分球系统表征光学性能；通过量子效率测试系统和IV测试系统评估电学性能。

研究结果表明，准有序光子结构成功实现了可见光选择性散射与近红外高透过的理想光学特性。色彩形成机理源于微球尺寸与基质折射率的协同作用，而效率保持优势则得益于光散射与吸收的解耦设计。与传统颜料相比，该技术将光谱损失限制在理论最小值附近，且避免了多层薄膜的虹彩问题。

讨论部分指出，该技术的创新性在于将生物启发设计转化为可规模化生产的颜料系统。未来通过优化紫外散射特性与近红外透过率，结合钙钛矿-硅叠层电池等高效技术，有望将彩色光伏效率提升至23%以上。研究强调，基于二氧化硅和聚丙烯酸酯的可持续材料体系为低成本大规模应用奠定了基础，而印刷技术的兼容性使得该方案可直接应用于现有光伏产线。

这项研究为建筑光伏一体化提供了兼具高效率和美学价值的技术路径，通过模仿自然界的结构色原理，成功解决了彩色光伏领域长期存在的效率-美观权衡难题。其材料体系与制造工艺的突出优势，为加速太阳能技术在建筑环境中的规模化应用提供了重要支撑。