上交Yuljae Cho、耶鲁大学刘梦夏等综述：溶液加工薄膜透明光伏——当前挑战和未来发展

研究背景

可再生能源发展对推动碳中和社会的实现具有重要意义。太阳能因其无处不在的分布和丰富的资源而被认为是满足未来社会需求的最有前途的选择之一。自20世纪末以来，传统光伏设备的成本已显着下降，使大型太阳能发电厂和偏远地区的小型房屋规模发电成为可能。然而，在密集的城市环境中空间有限，这给太阳能电池板的安装带来了很大的困难。为了克服空间限制，人们提出了将光伏建筑整合到建筑围护结构中的想法。然而，这对美学提出了额外的要求，并进而提出了透明光伏(transparent photovoltaics, TPV)的概念。

本篇综述旨在更新新兴薄膜TPV的快速发展，展示TPV在日常生活中的多功能应用，并根据对美学和能源产生的应用要求评估新兴材料的优缺点。首先，作者简要介绍了当前实现TPV和分类透明度的策略。其次，作者讨论了TPV的品质因数及其理论极限，以提供对技术现状的全面理解。第三，作者总结了各种TPV的最新进展，特别关注溶液加工的薄膜TPV，包括钙钛矿、有机物和胶体量子点。第四，作者提供了TPV的前瞻性应用，重点是农业光伏、智能窗户和外墙。最后，强调了TPV研究的当前挑战和未来机遇。

Solution-Processed Thin Film Transparent Photovoltaics: Present Challenges and Future Development

Tianle Liu, Munerah M. S. Almutairi, Jie Ma, Aisling Stewart, Zhaohui Xing, Mengxia Liu, Bo Hou & Yuljae Cho

Nano-Micro Letters (2025)17: 49

https://doi.org/10.1007/s40820-024-01547-6

本文亮点

1. 本文总结了溶液处理薄膜透明光伏(TPV)的最新进展，包括钙钛矿、有机物和胶体量子点。

2. 本文根据材料特性以及对美学和能源发电的应用要求，分析了新兴TPV的优缺点。

3. 本文讨论了农业光伏、智能窗户和外墙等领域具有广阔发展前景的TPV应用。

内容简介

电能对于现代社会维持经济增长至关重要。对电能的需求飙升，以及对化石燃料对环境影响的认识，一直在推动人们转向太阳能的利用。然而，传统的太阳能解决方案通常需要大量的面板安装空间，这限制了它们在密集的城市环境中的实用性。为了克服空间限制，研究人员开发了透明光伏(TPV)，使车辆和建筑物的窗户和外墙能够产生电能。当前的TPV的发展方向集中在提高透明度和功率输出，以与市售的硅太阳能电池板相媲美。在这篇综述中，上海交通大学Yuljae Cho、耶鲁大学刘梦夏等人首先简要介绍了实现透明度的波长和非波长选择性策略。讨论了TPV的品质因数和理论极限，以全面了解当前TPV技术的现状。然后，作者重点介绍了不同类型TPV的最新进展，特别关注溶液加工的薄膜光伏，包括金属卤化物钙钛矿光伏、有机光伏和胶体量子点光伏。此外，本综述展示了TPV在农业光伏、智能窗户和外墙等方面的应用。最后，作者讨论了TPV研究的当前挑战和未来机遇。

图文导读

I TPV的发展及技术概况

图1. (a)不透明和(b)-(f)透明光伏的原理图和实际示例。

作者首先介绍了当前的不透明光伏和透明光伏器件的原理和应用实例。TPV的基本原理是仅收集紫外线(UV)或NIR范围内的光，或吸收少量的全波长光，即波长选择性和非波长选择性方法两种策略。非波长选择性TPV主要采用空间切割或降低光活性层厚度的方式提高透明度。而波长选择性技术使用多结、具有不连续带结构的有机分子或太阳能聚光器选择性地收集紫外光和近红外光。此外，发光太阳能聚光器也(Luminescent Solar Concentrator, LSC)是一种常见的TPV技术，光首先被荧光团吸收并重新发射，然后被LSC边缘的不透明PV收集，具有结构简单、角度独立性和高缺陷容忍度等优点。

图2. 不同参数(PCE、AVT、CRI)所呈现的TPV外观。

TPV的制造需要额外考虑PCE、AVT、美观性和长期稳定性，这意味着需要优化TPV的新品质因数。作者讨论了这些品质因数及其相互之间的关系，以了解当前的TPV技术和未来的发展。

图3. (a)理论PCE限值与具有不同AVT的单结TPV的光学激子间隙的函数关系。(b) PCE与AVT和(c) LUE与AVT的近期高级钙钛矿、有机和胶体量子点TPV的散点图。(d) 具有不同AVT的串联集成多结TPV的理论和实践PCE限值。

图4. (a)斜入射角为θ的光伏组件示意图；(b)Brewster’ s angle示意图。

II 薄膜TPV

TPV可以满足拥挤城市地区的能源需求和赏心悦目的外观需求，是最有前途的技术之一。然而，从传统光伏直接演变而来的TPV技术并不能轻易满足实际应用中定制透明度和颜色的要求。在过去的十年中，研究人员发展了数十或数百纳米厚度的薄膜TPV，包括钙钛矿TPV、有机TPV和胶体量子点(CQD)TPV。得益于光吸收剂的溶液加工性和带隙可调性，这些新兴的薄膜TPV在大规模制造和颜色定制中表现出巨大的优势。

2.1 钙钛矿TPV

钙钛矿(PVK)的带隙可以通过混合卤化物阴离子或A位阳离子来调节，从而产生不同的吸收光谱和颜色。此外，PVKs具有高电荷迁移率、大光吸收系数和溶液可加工性，是大规模光伏应用的理想选择。PVK TPV具有以下优点：(1)大的光吸收系数使其在超薄膜中也能产生高Jsc；(2)通过成分工程实现的带隙可调性可实现各种AVT值和颜色；(3)固溶可加工性有利于以较低的成本进行大规模制造；(4)PSC具有较弱的角度依赖性和强度依赖性，更适合太阳角度和光强度随时间变化的应用。

图5. (a)不同成分PVK膜的吸收光谱；不同TPVs的PCE对(b)光强和(c)入射角的依赖性；(d)不同浓度前驱体(C1 > C2 > C3)自旋涂覆PVK膜的形貌和膜厚；(e)不同浓度前驱体自旋涂覆PVK膜的吸收和透射光谱。

目前已经开发了两种主要策略来将不透明的PVK薄膜变成透明的薄膜。一种策略是减少PVK薄膜的厚度，而另一种策略是扩大PVK薄膜的带隙并选择性吸收紫外线或蓝光。但是，每种策略都有其自身的挑战。对于减薄策略，主要问题在于薄膜的粗糙形态和低结晶度。虽然可以通过稀释前驱体来轻松减少PVK薄膜的厚度，但低前驱体浓度也会导致小颗粒和不均匀的结晶(如图5d、e)。

为了克服减薄策略中的困难，Yang等人利用成分工程、增材工程和反溶剂法来改善PVK TPV的形态和结晶度。研究人员发现，在MAPbI₃前驱体中加入少量的MAPbBr₃(4 wt%)可以扩大胶体的尺寸并减少成核位点，从而在超薄膜中产生均匀且更大的晶粒尺寸。同样，Yu等人通过研究了A位点和X位点组成对PVK TPV性能和稳定性的影响，研究人员发现由于MA降解过程中形成的杂质(图6a)，含MA的前驱体溶液的老化导致PCE显着下降。因此，高性能和稳定的PVK TPV需要CsFA混合阳离子组成。Zou等人将预结晶的2D和3D PVK晶体重新溶解为前驱体，以改善超薄PVK薄膜的结晶度和形态(图6b)。

图6. (a)PVK薄膜的SEM图像显示含MA组分的相偏析；(b)原理图显示了制备前驱体溶液的常规策略和预结晶策略。

Wang等人开发了一种使用DMF、DMSO和四亚甲基亚砜(TMSO)混合溶剂的中间相变(IPT)方法，以更好地控制大面积的PVK结晶(如图7a)。TMSO的添加延缓了成核时间，使晶体生长速率降低了50%，从而形成了均匀光滑的薄膜，没有针孔。对更高CRI和透明度的追求促进了对宽带隙PVK的研究。Liu等人展示了一种基于CsPbCl2.5Br0.5的大面积(25 cm²)TPV膜组件，其吸光度边缘为435 nm(如图7b)。通过PVK的热蒸发，薄膜呈现出光滑均匀的形貌，面积大，实现了84.6%的高AVT和96.5的CRI无雾度。除了调整PVK的带隙外，Zhu等人还提出了一种光管理策略来增强色彩中性。作者构建了一个飞蛾眼结构的TiO₂层，该结构可以反射更多的红光，因此红光的光程增加了一倍。这种策略能够增强光电流并提高CRI(如图7e)。

图7. (a)中间相变的PVK薄膜的原位 XRD 伪彩色强度图；(b)理论AVT、CRI和Jsc限值计算为CsPbClxBr₃-x薄膜吸收截止波长的函数；(c)25 cm²TPV模块的照片(AVT为84.6%，CRI为96.5，无雾度)；(d)倾斜视图下具有蛾眼启发结构(MEIS)SnO₂/ITO的SEM图像；(e)半透明PSC的外部量子效率曲线。

2.2 有机TPV

有机TPV具有许多优点，例如柔韧性、重量轻、溶液加工性和可调吸收光谱，这在建筑一体化光伏(building integrated photovoltaics，BIPV)、太阳能窗户和农业光伏应用中具有巨大潜力。然而，由于难以调整富勒烯受体的吸收光谱以及供体的宽带隙性质，有机TPV在其早期发展阶段只能利用紫外-可见光，从而为平衡PCE和AVT带来挑战。

图8. (a)两种常见的设计策略，诱导分子内电荷转移和延长共轭长度，以降低有机分子的带隙；(b)受体中具有不同IEICO-4F含量的三元共混膜的吸收光谱；(c)IEICO-4F：BDTThIT-4F：PTB7-Th三元共混物的TEM图像。

关于低PCE的挑战，一种可能的解决方案是将受体和供体的吸收窗口进一步红移到NIR区域。这可以通过各种分子工程策略来实现，例如诱导更强的分子内电荷转移和延长共轭长度，如图8a所示。增强PCE的另一种常用方法是应用三元光活性层。添加第三个组分是为了调整吸收光谱、提高相纯度和操纵形态。Hu等人报道，将IEICO-4F添加到PTB7-Th：BDTThIT-4F中可以增强NIR区域的光吸收，而将BDTThIT-4F添加到PTB7-Th：IEICO-4F混合物中可以形成高纯度的纳米原纤维相(如图8c)。与两种二元情况相比，三元有机TPV均表现出高FF和Jsc。

为了提高有机TPV的CRI，传统策略之一是扩大有机材料的带隙。然而，高AVT和CRI是以低PCE为代价实现的。为了进一步改善AVT，其中一种策略是减少通常在可见区域内部分具有吸收窗口的供体数量。Meng等人研究了供体-受体(D-A)比率对有机TPV性能的影响。研究发现，尽管低供体含量可以改善AVT，但由于电荷分离和传输不良，器件效率显着下降。为了克服供体含量低带来的挑战，Jing等人将[2-(9-H-Carbazol-9-yl)乙基]膦酸(2PACz)作为添加剂引入光活性层。2PACz形成一个自组织层并充当空穴选择性层，有效增强了激子解离和电荷传输。还提出了一种新的器件结构，称为伪平面异质结(PPHJ)，以解决BHJ中D-A比的问题。新结构可以减少D-A界面，从而减少光散射和寄生吸收，如图9d、9e所示。该策略对许多二进制系统甚至三元系统都有效。此外，供体和受体的厚度可以独立调节，对D-A界面的激子解离影响很小。

图9. (a)二元和三元混合薄膜的透射光谱；(b)具有不同厚度(即前驱体浓度)和D-A比率的BHJ薄膜的图像；(c)用不同D-A比率和前体浓度制备的TOPV的PCE；(d)常规BHJ器件结构和(e)PPHJ结构相互作用的示意图。

2.3 胶体量子点(CQD)TPV

CQD 是指直径通常小于20 nm的半导体纳米晶体，其带隙随着尺寸的减小而增加，从而实现尺寸可调的光电特性。与PVK和有机材料相比，CQD能够收集更广泛的太阳光谱，因此CQD在光伏领域具有优势。CQD的高光谱可调性对于半透明CQD PV的制造至关重要，可在可见光范围内提供必要的透明度，并在NIR光谱中具有高吸收性。

图10. (a)CsPbBr₃ QD层沉积和配体交换的示意图；(b)含和不含苯丙氨酸(L-PHE)表面修饰的CsPbBr₃ QD；(c)将QD嵌入聚合物基质中以形成BHJ的示例；(d)不对称MAM结构的AVT与底部和顶部MoOx层的厚度以及(e)对称和不对称MAM结构的透射光谱的关系。

通过优化CQD层的设计，可以实现增强弱光条件下的PCE的目的。液相配体交换已被证明是增加CQD堆积密度和最小化能量异质性的有效方法，从而在不影响Voc的情况下增加光电流。Zhang等人用硫氰酸胍盐取代长链绝缘配体，通过表面钝化和电荷传输增强的方式改善了PCE，在CQD TPV中实现了8.4%的PCE和21.4%的AVT。

增强CQD的稳定性是BIPV应用程序面临的另一个关键挑战，因为暴露在环境空气中会导致CQD降解。例如，CsPbI₃ CQD在潮湿条件下可能会发生意外的转变为δ相，而暴露于氧气中会增加PbS CQD中的缺陷密度。最近的研究通过改进材料成分、修改表面配体、以及将 CQD 掺入宿主培养基中来改善其稳定性(图10b)。

此外，将CQD设备的传统架构过渡到TPV还需要开发半透明电极等方面的工作。然而，超薄金电极尽管透明且易于沉积，但由于金属CQD边界的光反射不良和CQD吸收不足，导致了大量的光电流损失。减少金电极的厚度会进一步导致表面缺陷和电子散射增加，阻碍了器件的性能，而没有显著改善AVT。为了克服这些问题，研究人员引入了纳米层状的MoO₃/Au/MoO₃(MAM)电极。这种夹层结构增强了电极的透明度并最大限度地减少了内部光损耗。进一步的创新导致了不对称MAM结构的发展，该结构具有更厚的顶部和更薄的底部 MoO₃层(图10d)，这有效地降低了MAM内部的寄生吸收，从而提高了电极的透射率(图10e)。将此策略应用于CsPbI₃ CQD 产生的PCE为11.3%，AVT为23.4%。

III TPV应用

TPV可以集成到各种应用中，从人造皮肤和自供电传感器等小型设备到建筑物和电动汽车。以BIPV作为主要关注点，本文重点介绍其在温室、智能窗户和立面等方面的具体应用。此外，作者简要讨论了用于人造皮肤的小规模TPV和用于微纳电子器件的自供电传感器。

图11. (a)各种应用中TPV的效率和透明度要求；(b)集成在温室屋顶上的TOPV示意图；(c)在房屋的不同位置安装集成光伏。

现代农业利用温室生产四季各种蔬菜和农作物。一方面，它消耗能源来检测、记录和维持温室内的温度和湿度。另一方面，许多栽培品种不需要充足的阳光进行光合作用和生长。因此，将TPV整合到温室中提供了一种可行的方法，可以在种植作物时减少能源消耗。400-700 nm波长范围内的光被称为光合有效辐射(Photosynthetically Active Radiation，PAR)，进一步分为蓝色(400-500 nm)、绿色(500-600 nm)和红色(600-700 nm)波段。图12展示了日光穿过不同玻璃材料对三种常见蔬菜(罗勒、矮牵牛和西红柿)生长的影响。

图12. (a)日光穿过不同玻璃材料的量对罗勒、牵牛和西红柿生长的影响；(b)传统温室、非波长选择性PV和波长选择性PV对植物生长的不同影响。

图13. (a) NiO/ZnO TPV与Ag纳米线/ZnO透明加热器集成的器件结构；集成 OPV/EC 模块在(b)激活(暗化状态)和(c)非激活(亮化状态)时的情况。

虽然透明度和发电是BIPV的首要任务，但智能窗户和幕墙还有其他要求，例如防雾、除冰和隐私保护，这些都是TPV难以单独实现的。因此，一些企业已将TPV与其他透明设备集成以扩展其应用。例如，将TPV与Ag纳米线/ZnO透明加热器集成在一起，以同时实现紫外线阻挡、日光和主动加热，如图13所示。TPV和透明加热器的集成引起了各种热过程之间的耦合，包括焦耳热、热化和帕尔贴效应，从而增强了除冰功能。智能窗户的另一个重要问题是隐私保护，这需要可切换的按需着色。将大面积有机TPV(100 mm × 100 mm)与聚合物电致变色(EC)器件集成在一起，以实现黑暗、明亮状态之间的主动切换。

IV 展望

新兴的薄膜TPV仍处于起步阶段，PCE落后于不透明的同类产品，透明度低于应用要求。为了进一步提高TPV的性能，作者从钙钛矿TPV、有机TPV、胶体量子点TPV三个体系出发，分别讨论了不同材料薄膜TPV的发展方向。

此外，新兴的薄膜 TPV 还有其他值得研究的常见挑战。一个挑战是平衡PCE和AVT之间的权衡。由于溶液可加工薄膜TPV的开发仍处于起步阶段，大多数文献仍然集中在器件的PCE和AVT上，而很少关注透明薄膜的稳定性。迫切需要新的策略来解决未来应用的稳定性问题。最后，以大型模块或面板形式生产TPV也是一个值得研究的具有挑战性的研究方向。

作者简介

关于我们

Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2023 JCR IF=31.6，学科排名Q1区前3%，中国科学院期刊分区1区期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

Web: https://springer.com/40820

E-mail: editor@nmlett.org

Tel: 021-34207624

如果文章对您有帮助，可以与别人分享！：Nano-Micro Letters » 上交Yuljae Cho、耶鲁大学刘梦夏等综述：溶液加工薄膜透明光伏——当前挑战和未来发展