通过半透明钙钛矿-有机叠层模块中的光管理实现高效能，适用于集成在窗户上的光伏系统

《Joule》：High efficiency through light management in semitransparent perovskite-organic tandem modules for window-integrated photovoltaics

　　•电压匹配的串联结构实现了独立的钙钛矿/有机模块设计
•近红外（NIR）光管理在保持可见光透明度的同时提高了光电流
•层压的5 × 5厘米2串联结构达到了12.32%的有效面积光电转换效率（PCE）和29.61%的色彩再现指数（AVT）
•大面积模块已集成到概念验证的光伏窗户中

**引言**
建筑物是全球最大的能源消耗领域之一，其能源需求对国家能源系统和气候缓解工作产生了深远影响。全球范围内，建筑物占最终能源消耗和与能源相关的二氧化碳排放量的三分之一以上，主要来自供暖、制冷、照明和电器使用。1,2 仅在欧盟，建筑物就消耗了超过40%的总能源，并贡献了大约36%的温室气体排放，这主要是由于化石燃料的使用和水泥、钢铁等高能耗建筑材料。2 现有的建筑结构加剧了这些问题，因为近75%的欧盟建筑物是在现代能效标准引入之前建造的，这突显了迫切需要改造方案和深度脱碳策略。2 高比例的玻璃窗已成为当代建筑的特点，使得室内能够获得自然光线并与外部环境建立视觉联系。3 然而，玻璃的隔热性能通常不如不透明的外壳组件，因此高玻璃比例可能导致更高的供暖和制冷需求。4 为了解决建筑透明性与能源性能之间的权衡，开发了先进的窗户技术。20世纪80年代引入的低辐射率（low-e）涂层通过选择性反射长波红外辐射同时保持高可见光透射率，5 现已广泛应用于现代玻璃系统中。最近，光伏（PV）窗户作为一种有前景的技术出现，将窗户从被动建筑元素转变为主动发电组件。由于能源规范日益严格，这项技术不断发展和改进，6 在现代玻璃中变得普遍。6 许多实验研究和建筑规模模拟表明，光伏窗户可以显著减少建筑物的能源需求和碳排放。宏观能源模拟显示，光伏窗户每年可以降低能源使用和二氧化碳足迹高达40%，即使在高比例玻璃的建筑物中也能实现净零能耗。6 然而，要实现这一潜力，光伏技术不仅需要高能源性能，还需要满足严格的美学和视觉舒适度要求。光伏窗户的应用性由三个关键指标决定：光电转换效率（PCE）、平均可见光透射率（AVT）和色彩再现指数（CRI），7 这些指标共同定义了光伏窗户在能源生成、日光传输和视觉舒适度之间的平衡。这些参数共同决定了半透明光伏窗户在能源生成、日光传输和视觉保真度之间的权衡。为了综合效率和透明度的效果，提出了光利用效率（LUE），即PCE和AVT的乘积，作为方便的单一评价指标。8 在光伏窗户候选技术中，第三代薄膜光伏技术因其与柔性基材的兼容性、低温处理能力、潜在的中性色彩表现以及低成本制造前景而受到越来越多的关注。9 单结钙钛矿太阳能电池（PSC）已在0.05厘米2的器件上实现了独立验证的28.0%的PCE，10 并且具有可调的带隙（约1.23至约3电子伏特），适用于透明应用。最近的进展包括实现了8% PCE、超过70% AVT和60以上CRI的高透明度PSC。11 同时，半透明有机太阳能电池（ST-OSCs）也取得了显著进展，在小面积电池水平上通过优化材料和光学设计达到了10%–15%的PCE和30%–50%的AVT。12,13,14,15,16 光谱选择性光管理策略为在光伏窗户中分离能量收集和视觉透明度提供了一种有效方法。其中，分布式布拉格反射器（DBRs）是由高折射率材料和低折射率材料交替组成的多层介电结构，通过光干涉选择性地反射目标波长范围内的光线的同时传输可见光谱。最近，Kim等人17 通过将优化的DBRs与双面硅太阳能电池集成在混合太阳能窗户中，证明了这种方法的有效性，实现了高透明度、出色的色彩再现性和创纪录的高LUE。为了进一步提高能量收集效率同时保持透明性，人们探索了结合PSCs和OSCs的串联架构。尽管一些串联器件的PCE超过了20%，18,19,20 但透明度和视觉质量往往未能得到充分解决。只有少数研究证明钙钛矿/有机（PSC/OSC）串联结构可以通过选择性光谱吸收同时实现高效率和透明性。21,22 尽管取得了这些进展，半透明PSC/OSC串联结构的演示仍主要局限于小面积电池，而可扩展的加工、互连策略和模块级集成——这些对于不透明器件已经得到了研究19——在光伏窗户应用中的大面积半透明模块来说仍然很少被探索。本工作通过开发透明的钙钛矿太阳能模块（PSM）和有机太阳能模块（OSM）来满足半透明光伏窗户的需求，这些模块在效率、透明度和色彩之间取得了平衡。我们的方法利用了近紫外线（NUV）钙钛矿吸收剂和近红外（NIR）有机吸收剂的光谱互补性，从而有效收集可见光谱之外的太阳辐射，同时保持可见光传输。通过实施基于近红外DBR的定制光管理策略，以及顶部和底部吸收剂之间的模块级电压匹配和优化的透明导电电极及吸收带，我们展示了机械堆叠的2端子5 × 5厘米2串联模块，实现了12.3%的PCE、30%的AVT和77%的CRI。通过同时优化吸收剂厚度和互连驱动的电压匹配，实现了向更大面积的可扩展性，从而在减少尺寸增大导致的损耗的同时保证了均匀的电性能。这种策略在放大过程中保持了串联工作点，并实现了将模块集成到传统窗户中的能力，从而创建了一个建筑集成光伏（BIPV）演示器。在图1和表S1中，我们的半透明串联模块在模块级半透明光伏技术比较中占据了独特的性能区域，介于前沿学术演示和商业化部署的无机BIPV技术之间。这里的“内在半透明”是指通过光伏器件本身传输可见光的光伏器件，而不是通过非活性间隙、电池间距或图案化不透明光伏元件。我们的串联模块的效率接近已报道的半透明光伏的上限，并且在与现有商业解决方案重叠的操作范围内运行。这种协同的PSM/OSM配置在模块级别提供了PCE和AVT的独特组合，证明了高透明度并不需要牺牲过多的效率。除了竞争性指标外，实现大面积模块及其建筑集成还展示了从小面积器件向模块级制造和窗户级集成的进展。最后，进行了生命周期评估，以评估所提出的串联光伏技术的环境影响。

**结果**
为了实现半透明的机械堆叠双端子串联太阳能模块，我们采用了一种层压策略，将用于高能光子吸收的NUV-PSM、用于红红外光子吸收的NIR-OSM和用于反射红外光的DBR层压在一起。这种方法相比传统的单片式串联器件具有几个关键优势。23 首先，模块的每个组成部分，包括钙钛矿吸收剂、有机光伏层和DBR，都可以独立优化。

**讨论**
在这项工作中，我们展示了一种专为窗户集成BIPV应用设计的高性能半透明串联光伏的可扩展策略。通过分别优化近紫外线PSM、近红外OSM、光谱选择性DBR，并通过层压技术将它们集成在一起，我们建立了半透明双端子串联模块的可扩展概念验证平台。在模块级别实现了电压匹配架构，使得各个组件可以独立工作。

**详细实验程序、器件制造协议、表征方法以及光学和电学建模程序均见于补充材料中。**

**联系人**
更多信息和资源请求请联系主要联系人Aldo Di Carlo（[e-mail]）。

**材料可用性**
本研究没有生成新的独特材料。

**数据和代码可用性**
支持本研究结果的数据和代码可根据合理请求向相应作者获取。

**致谢**
我们感谢欧盟的Horizon 2020研究和创新计划（项目编号101007084，CITYSOLAR）的支持。J.B.还感谢“Network 4 Energy Sustainable Transition─NEST”项目的支持，该项目属于国家恢复和韧性计划（NRRP）的第4任务第2部分的第1个项目代码PE0000021，由意大利大学和研究部（MUR）于2022年11月10日发起的第1561号招标资助，该项目由欧盟–NextGenerationEU提供资金。

**作者贡献**
J.B.：数据管理、撰写——原始草稿、研究、方法论、撰写——审阅与编辑、可视化；
M.W.：项目管理、可视化、撰写——原始草稿、撰写——审阅与编辑；
E.J.：数据管理、形式分析、方法论、验证、可视化、撰写——原始草稿和撰写——审阅与编辑；
F.V.：方法论、撰写——原始草稿和撰写——审阅与编辑；
K.F.：方法论；
R.B.：可视化和方法论；
M.A.：数据管理；

**利益声明**
作者声明没有利益冲突。

**手稿准备过程中使用的人工智能和AI辅助技术的声明**
在准备手稿的过程中使用了OpenAI生成式AI模型（GPT-5.6 Sol）进行英语润色，并支持针对EIS分析相关领域的自动化文献搜索。所有科学分析、实验数据的解释以及手稿的最终验证均由作者完成。

**作者名单**
Jessica Barichello | Michael Wagner | Eswaran Jayaraman | Francesco Viero | Karen Forberich | Robin Basu | Mehrad Ahmadpour | Irina Vyalih | Sambathkumar Balasubramanian | Vida Turkovic | Jani Lamminaho | Hans-Joachim Egelhaaf | Andreas Distler | S?ren Peder Madsen | Jacek Fiutowski | Chun Yuen Ho | David Tanenbaum | Markus Babin | Sune Thorsteinsson | Peter Behrensdorff Poulsen | Aldo Di Carlo