文献快讯：Joule 耦合双面硅电池与DBR实现8.29%效率、75.6%透光率与自然色彩

【成果掠影 & 研究背景】

城市化和气候危机推动了对可持续能源解决方案的需求，其中光伏建筑一体化系统（BIPV）发挥着越来越重要的作用。在建筑立面与窗户中集成透明光伏（TPV）模块，可以在不占用额外土地的同时为建筑供电。然而，传统TPV面临一个根本性的权衡：可见光透过率（AVT）越高，功率转换效率（PCE）越低。此外，大多数TPV模块还存在显色指数（CRI）偏低的问题，使得透过窗户看到的物体颜色失真，限制了其在建筑设计中的采纳。

针对这一挑战，来自韩国航空大学、韩国科学技术研究院和韩国高丽大学等机构的研究团队提出了一种混合太阳能窗设计。该设计将双面硅太阳能电池与经优化的分布式布拉格反射器（DBR）相结合，选择性地捕获近红外光用于发电，同时让可见光无损失地透过。在标准太阳光谱条件下，该太阳能窗实现了75.6%的平均可见光透过率、93.8的显色指数和8.29%的功率转换效率，光利用效率达到6.27%，不仅超越了非选择性TPV的理论极限（约6.0%），也刷新了选择性TPV模块中LUE的最高纪录。此外，该太阳能窗在室内LED照明下也能有效发电（500 lux下PCE约4.23%），展现了其在多种场景中的应用潜力。

【创新点 & 图文摘要】

创新点：

• 首次采用DBR与双面硅电池耦合的混合架构：DBR将750-1150 nm的近红外光以45度角选择性反射至电池两侧，同时使400-750 nm可见光完全透过，实现了光谱分离的能量采集，从根本上解决了非选择性TPV中AVT与PCE的固有矛盾。

• 引入光学相位控制层优化DBR设计：在传统的5对TiO2/YF3介电层上增加一层YF3作为OPCL，通过引入额外光学相位延迟来破坏传输带内纹波和反射旁瓣的干涉条件，使传输光谱均匀平坦，CRI从无OPCL时的较低值提升至98.4（模拟值），实验值达97.9。

• 采用双面电池增强光捕获能力：双面电池不仅能接收来自DBR侧面的反射NIR光，还能捕获地面反射光（albedo）、大气散射光以及经波导传播的光，在一天中太阳高度角变化时维持高效率，并且在室内漫射光环境下依然有效，实验表明在500 lux LED下PCE可达4.23%。

• 实验光利用效率首次超越非选择性TPV理论极限（SQ极限）：该太阳能窗以6.27%的LUE显著高于非选择性TPV约6.0%的实际极限，并达到选择性TPV实际最大LUE（10.7%）的59%，在已报道的所有TPV窗户中位居首位。与使用26.6%高效硅电池的仿真预测表明，LUE可进一步接近10.6%。

• 激光切割与模块化设计支撑规模化制造：采用532 nm脉冲激光从背面切割商用M4双面硅片（155 mm × 10 mm），51个切割单元的J-V参数与整片几乎一致（PCE保持率约98%），证明了低损伤、高通量的工业可行性。9个电池单元与8片DBR以9.2 mm间距组装成114 cm²窗口，显示出良好的均匀性和可扩展性。

• 全面的角度响应表征与室内适用性验证：实验测量了0度至90度入射角下的AVT和CRI，CRI始终保持在90以上，且在大于45度时PCE随有效光照面积增大而更优，体现了对太阳高度角的自然适应。室内弱光测试进一步证明了该窗具备为物联网设备供电的能力。

  
  

  图1 | 提出的太阳能窗。（A）太阳能窗示意图，内部由双面硅太阳能电池和DBR组成。（B）DBR的工作原理，可见光透过DBR，近红外光被反射至硅电池发电。（C）双面工作模式，白天主要利用太阳光发电，夜间利用室内照明发电。（D）DBR的SEM图像（标尺：500 nm），DBR由五对TiO2和YF3层组成，顶层YF3作为OPCL。（E）制造的太阳能窗数码照片，展现了高透过率与自然色彩显示（8.29% PCE，75.6% AVT，93.8 CRI）。（F）双面硅电池单元，采用激光划片从M4级双面硅电池上切割。

  
  

  图2 | 太阳能窗的性能设计。（A）DBR结构：传统DBR（type I）、带OPCL的传统DBR（type II）、以及采用不同λQW的带OPCL DBR（type III）。（B）三种DBR在参考（0度）和设计（45度）入射角下的透过率和反射率。Type III相比type I和II展现出优异的传输光谱。（C）光线追迹模拟，用于设计和评估DBR与太阳能窗的光学性能。（D）DBR的透射和反射光谱辐照度模拟，用于评估光学性能。（E）太阳光和透过太阳能窗的光的色坐标。（F）太阳能窗的模拟EQE和集成Jsc，模拟EQE由实测EQE和模拟反射率的乘积得到。

  
  

  图3 | 太阳能窗的光学测量。（A）制造出的type III DBR在0度与45度入射角下的透过率和反射率。（B）垂直入射下太阳能窗的透过率，窗口上九点测得的平均AVT（75.6%±0.9%）和CRI（93.8±0.3）。

  
  

  图4 | 太阳能窗的性能分析。（A）带有和不带有DBR的微型太阳能窗的J-V曲线。（B）带有和不带有DBR的完整太阳能窗的J-V曲线，Jsc从无DBR的1.54提升至16.77 mA cm-2，PCE从0.71%提升至8.29%。（C）不同光源入射角下的功率密度与PCE，显示45度角附近性能最优。（D和E）不同TPV模块的PCE、AVT和LUE对比，本工作以蓝色星标出，LUE达6.27%，超越非选择性TPV理论极限。

  【总结 & 原文链接】

  本文展示了一种可扩展的混合太阳能窗，通过将双面硅太阳能电池与经优化的分布式布拉格反射器（DBR）集成，实现了高透明度、高效率和优异色彩保真度的统一。DBR利用TiO2/YF3五对介电层和光学相位控制层，选择性地将近红外光反射至电池两侧发电，同时使可见光无损失地透过。实验测得该窗口的平均可见光透过率为75.6%，显色指数为93.8，功率转换效率达8.29%，光利用效率为6.27%，不仅超越了非选择性TPV约6.0%的实用极限，也是目前已报道TPV窗户中的最高值。在室内照明条件下，该模块在500 lux下仍可达到4.23%的PCE，足以驱动物联网设备。该设计基于商用双面硅电池和成熟的薄膜镀膜工艺，采用低损伤激光划片与模块化组装，具有良好的可扩展性和成本效益。本研究为BIPV和汽车天窗等需要兼顾透明性和能量收集的场景提供了一种兼具性能与实用性的新范式。

  原文链接: https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.102216

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