文獻快訊：Joule 耦合雙面硅電池與DBR實現8.29%效率、75.6%透光率與自然色彩

【成果掠影 & 研究背景】

城市化和氣候危機推動了對可持續能源解決方案的需求，其中光伏建筑一體化系統（BIPV）發揮著越來越重要的作用。在建筑立面與窗戶中集成透明光伏（TPV）模塊，可以在不占用額外土地的同時為建筑供電。然而，傳統TPV面臨一個根本性的權衡：可見光透過率（AVT）越高，功率轉換效率（PCE）越低。此外，大多數TPV模塊還存在顯色指數（CRI）偏低的問題，使得透過窗戶看到的物體顏色失真，限制了其在建筑設計中的采納。

針對這一挑戰，來自韓國航空大學、韓國科學技術研究院和韓國高麗大學等機構的研究團隊提出了一種混合太陽能窗設計。該設計將雙面硅太陽能電池與經優化的分布式布拉格反射器（DBR）相結合，選擇性地捕獲近紅外光用于發電，同時讓可見光無損失地透過。在標準太陽光譜條件下，該太陽能窗實現了75.6%的平均可見光透過率、93.8的顯色指數和8.29%的功率轉換效率，光利用效率達到6.27%，不僅超越了非選擇性TPV的理論極限（約6.0%），也刷新了選擇性TPV模塊中LUE的最高紀錄。此外，該太陽能窗在室內LED照明下也能有效發電（500 lux下PCE約4.23%），展現了其在多種場景中的應用潛力。

【創新點 & 圖文摘要】

創新點：

• 首次采用DBR與雙面硅電池耦合的混合架構：DBR將750-1150 nm的近紅外光以45度角選擇性反射至電池兩側，同時使400-750 nm可見光完全透過，實現了光譜分離的能量采集，從根本上解決了非選擇性TPV中AVT與PCE的固有矛盾。

• 引入光學相位控制層優化DBR設計：在傳統的5對TiO2/YF3介電層上增加一層YF3作為OPCL，通過引入額外光學相位延遲來破壞傳輸帶內紋波和反射旁瓣的干涉條件，使傳輸光譜均勻平坦，CRI從無OPCL時的較低值提升至98.4（模擬值），實驗值達97.9。

• 采用雙面電池增強光捕獲能力：雙面電池不僅能接收來自DBR側面的反射NIR光，還能捕獲地面反射光（albedo）、大氣散射光以及經波導傳播的光，在一天中太陽高度角變化時維持高效率，并且在室內漫射光環境下依然有效，實驗表明在500 lux LED下PCE可達4.23%。

• 實驗光利用效率首次超越非選擇性TPV理論極限（SQ極限）：該太陽能窗以6.27%的LUE顯著高于非選擇性TPV約6.0%的實際極限，并達到選擇性TPV實際最大LUE（10.7%）的59%，在已報道的所有TPV窗戶中位居首位。與使用26.6%高效硅電池的仿真預測表明，LUE可進一步接近10.6%。

• 激光切割與模塊化設計支撐規模化制造：采用532 nm脈沖激光從背面切割商用M4雙面硅片（155 mm × 10 mm），51個切割單元的J-V參數與整片幾乎一致（PCE保持率約98%），證明了低損傷、高通量的工業可行性。9個電池單元與8片DBR以9.2 mm間距組裝成114 cm2窗口，顯示出良好的均勻性和可擴展性。

• 全面的角度響應表征與室內適用性驗證：實驗測量了0度至90度入射角下的AVT和CRI，CRI始終保持在90以上，且在大于45度時PCE隨有效光照面積增大而更優，體現了對太陽高度角的自然適應。室內弱光測試進一步證明了該窗具備為物聯網設備供電的能力。

  
  

  圖1 | 提出的太陽能窗。（A）太陽能窗示意圖，內部由雙面硅太陽能電池和DBR組成。（B）DBR的工作原理，可見光透過DBR，近紅外光被反射至硅電池發電。（C）雙面工作模式，白天主要利用太陽光發電，夜間利用室內照明發電。（D）DBR的SEM圖像（標尺：500 nm），DBR由五對TiO2和YF3層組成，頂層YF3作為OPCL。（E）制造的太陽能窗數碼照片，展現了高透過率與自然色彩顯示（8.29% PCE，75.6% AVT，93.8 CRI）。（F）雙面硅電池單元，采用激光劃片從M4級雙面硅電池上切割。

  
  

  圖2 | 太陽能窗的性能設計。（A）DBR結構：傳統DBR（type I）、帶OPCL的傳統DBR（type II）、以及采用不同λQW的帶OPCL DBR（type III）。（B）三種DBR在參考（0度）和設計（45度）入射角下的透過率和反射率。Type III相比type I和II展現出優異的傳輸光譜。（C）光線追跡模擬，用于設計和評估DBR與太陽能窗的光學性能。（D）DBR的透射和反射光譜輻照度模擬，用于評估光學性能。（E）太陽光和透過太陽能窗的光的色坐標。（F）太陽能窗的模擬EQE和集成Jsc，模擬EQE由實測EQE和模擬反射率的乘積得到。

  
  

  圖3 | 太陽能窗的光學測量。（A）制造出的type III DBR在0度與45度入射角下的透過率和反射率。（B）垂直入射下太陽能窗的透過率，窗口上九點測得的平均AVT（75.6%±0.9%）和CRI（93.8±0.3）。

  
  

  圖4 | 太陽能窗的性能分析。（A）帶有和不帶有DBR的微型太陽能窗的J-V曲線。（B）帶有和不帶有DBR的完整太陽能窗的J-V曲線，Jsc從無DBR的1.54提升至16.77 mA cm-2，PCE從0.71%提升至8.29%。（C）不同光源入射角下的功率密度與PCE，顯示45度角附近性能最優。（D和E）不同TPV模塊的PCE、AVT和LUE對比，本工作以藍色星標出，LUE達6.27%，超越非選擇性TPV理論極限。

  【總結 & 原文鏈接】

  本文展示了一種可擴展的混合太陽能窗，通過將雙面硅太陽能電池與經優化的分布式布拉格反射器（DBR）集成，實現了高透明度、高效率和優異色彩保真度的統一。DBR利用TiO2/YF3五對介電層和光學相位控制層，選擇性地將近紅外光反射至電池兩側發電，同時使可見光無損失地透過。實驗測得該窗口的平均可見光透過率為75.6%，顯色指數為93.8，功率轉換效率達8.29%，光利用效率為6.27%，不僅超越了非選擇性TPV約6.0%的實用極限，也是目前已報道TPV窗戶中的最高值。在室內照明條件下，該模塊在500 lux下仍可達到4.23%的PCE，足以驅動物聯網設備。該設計基于商用雙面硅電池和成熟的薄膜鍍膜工藝，采用低損傷激光劃片與模塊化組裝，具有良好的可擴展性和成本效益。本研究為BIPV和汽車天窗等需要兼顧透明性和能量收集的場景提供了一種兼具性能與實用性的新范式。

  原文鏈接: https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.102216

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