撰文 | 王智镝
编辑 | 郭郭
→这是《环球零碳》的第329篇原创
随着对碳减排的要求越来越严格和可再生电力的需求日益增长，建筑集成光伏（BIPV）被认为是一个有着光明未来的巨大市场，可以为零能耗建筑和城市的可持续发展做出贡献。
然而，传统的光伏（PV）面板通常呈现黑暗和单调的外观，不适用于建筑装饰。这大大限制了BIPV的大面积安装。因此，使光伏板变得更加美观，是当下人们所追求的目标。
太阳能电池板通常是深黑色的，因为它们的作用是吸收光；而红色汽车看起来是红色的，因为表面反射红光而不是吸收它。因此，大部分为太阳能电池设备添加其他颜色的设计都会降低它们吸收光线和发电的能力。
作为建筑材料，BIPV应美观耐用；而作为能源产品，BIPV则应保持高功率转换效率（PCE）和尽可能低的成本，以使其能被人们广泛接受。这就给彩色光伏技术的发展带来了巨大挑战。虽然一些染料敏化太阳能电池和有机太阳能电池是天然彩色的，但颜色主要来源于它们的光吸收不足，这大大限制了它们的转换效率。
上海交通大学制冷与低温工程研究所、太阳能发电及制冷教育部工程研究中心马涛、代彦军和王如竹等，联合香港理工大学杨洪兴教授和吕琳教授将光子玻璃应用于彩色光伏中的颜色生产层，从而提出了一种新的低成本，并且高效的彩色光伏技术。
该研究已于近日发表在美国化学学会旗下期刊ACS Nano上。
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光子玻璃改变太阳能电池板的颜色
在此之前，也有人尝试使用其他方法，例如采用结构颜色源，利用微观形状仅反射非常窄的、选择性的部分光，如蝴蝶翅膀上的鳞片来改变太阳能PV的颜色。
然而，这种结合结构颜色的技术使面板的颜色较为冗杂，并且技术大规模应用的成本高昂，因此并不是一种完美的解决方案。在此基础上，该团队的研究人员想开发一种易于使用，成本低廉，并能保持其高效生产能源能力的利用结构材料为太阳能电池板着色的方法。
这是一种基于即光子玻璃（Photonic Glass）的太阳能PV着色策略。研究人员使用自组装光子结构对PVs进行着色，该结构由介电微球组成。这种光子色素已经在一些生物体中发现，能够产生令人视觉上感到愉悦的非彩虹结构颜色。
![图说：彩色光伏组件的制造工艺，主要包括在太阳能电池上喷涂介电微球以及随后通过热层压进行封装。来源：[1]](http://n.sinaimg.cn/spider20220902/391/w653h538/20220902/904e-ac940e744de1b4c1b4ef929e1125b975.png)
图说：彩色光伏组件的制造工艺，主要包括在太阳能电池上喷涂介电微球以及随后通过热层压进行封装。
来源：[1]
当两个介电球体相互靠近时，每个球体产生的光会相互影响，因此可以通过类似的介电微球的组装来实现特定波长的光的反射。而改变微球尺寸，反射也会随之移动，因此可以产生不同的颜色。
为了能将光子结构应用在PV当中，研究人员采用了硫化锌（Zns）微粒作为光子结构中的介电微球。这种材料的好处是光折射率较高，球形结构比较均匀，并且用ZnS吸收太阳光最多只有1.38%的太阳辐射会被耗散。
解决了光子结构的难题后，下一步就是载体的选择。鉴于单晶硅太阳能电池在光伏巿场上占主导地位，研究人员将其作为制造彩色太阳能电池和PV组件的基础。
通过光收集结构和抗反射层，普通的高效硅太阳能电池可以大量吸收太阳辐射，使其外观非常接近黑色。为了使太阳能电池着色，研究人员采用了一种喷涂方法，在硅太阳能电池表面喷涂光子玻璃层。
涂层溶液是通过将ZnS微球分散在乙醇中制成的。在这种情况下，涂层后乙醇可以在环境温度下迅速蒸发，只留下ZnS微球在太阳能电池表面，使其着色。喷涂过程是快速并且容易实现的，有利于低成本的大规模生产。
开发出彩色太阳能电池后，还需要将其封装成太阳能PV组件。硅PV组件通常由玻璃罩、封装材料(如EVA)、太阳能电池和背板组成。在真空和加热环境下层压后，彩色太阳能电池被EVA封装，并受到玻璃罩和背板的保护。
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零能耗建筑的组成部分
通过理论研究，该研究团队证明了由高折射率微球自组装的光子玻璃可以实现彩色太阳能电池和模块，并且能够很容易地沉积在硅太阳能电池上，使其具有结构颜色，并且与普通黑色电池相比，PCE损失较低。
将ZnS微球作为光子颜料，彩色图案和不同颜色的混合也很容易实现，这有助于进一步提高PV组件在建筑一体化方面的美观度。在制作过程中，只需额外在喷涂前在太阳能电池上放置一个具有所需图案形状的模型。
![来源：[1]](http://n.sinaimg.cn/spider20220902/521/w307h214/20220902/ee4c-c04aa8c4e97c3028b37b6f08eb33eaa4.png)
研究人员还对他们的彩色PV组件进行了老化试验，包括10天的户外暴晒和1000小时的标准湿热试验。结果显示，所有彩色PV组件的PCEs相对减少了2%，但总体仍然高于20%，符合转换效率损失低于5%的要求。
该团队已经制造了一个尺寸为0.88米×0.65米的彩色PV板。该彩色PV板由36个串联的硅太阳能电池组成，每个电池的尺寸为210毫米×70毫米，PCE为22%。
此外，研究人员还展示了全尺寸组件（输出功率大于108 W）以及更高亮度的彩色PV组件，进一步证明了该技术在实际应用中大批量生产的可行性。
接下来，研究人员计划探索使颜色更加饱满以及实现更广的色域的方法。未来的建筑物将不再需要用造成光污染的巨型LED灯来装饰，取而代之的是零能耗，并且能够吸收太阳光的彩色太阳能电池板。
该研究得到了国家自然科学基金（NSFC）的资助。
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参考资料：
[1]https://doi.org/10.1021/acsnano.2c05840
[2]https://www.inceptivemind.com/high-efficiency-colored-solar-panels-make-tech-more-attractive/25864/
[3]https://me.sjtu.edu.cn/discovery/73110.html
