文 章 信 息
迈向定制化建筑能源：颜色可调钙钛矿光伏窗的技术路径与挑战
第一作者：严楠
通讯作者：汤云*，刘生忠*，冯江山*
单位：西安建筑科技大学，中科院大连化学物理研究所
研 究 背 景
钙钛矿太阳能电池(PSCs)因其高光电转换效率、可调的透光性与颜色特性，以及良好的机械柔性，在建筑一体化光伏(BIPV)领域展现出巨大潜力，尤其是作为彩色、发电的窗户材料。然而，实现半透明钙钛矿太阳能电池(ST-PSCs)在实际应用中的关键挑战在于如何在保持高能量转换效率(PCE)的同时，实现足够的平均可见光透射率(AVT)，并满足建筑美学需求。近年来，尽管在材料合成、器件结构和光学工程方面取得了显著进展，ST-PSCs 与电极、传输层以及建筑基材之间的界面不稳定性和光学-电学性能的权衡问题，仍然制约其商业化进程。本文系统回顾了近年来在ST-PSCs的光管理、功能层工程和颜色调控方面的研究进展，旨在为未来高性能、高美观度的BIPV系统提供设计思路和技术路径。
文 章 简 介
近日，西安建筑科技大学的汤云教授与中科院大连化学物理研究所的刘生忠教授和陕西师范大学的冯江山副教授近日在知名期刊Chemical Engineering Journal上发表的题为“Energy-generating windows integrating aesthetically tunable perovskite solar cells for customizable BIPV applications”的文章，系统梳理了半透明与彩色钙钛矿太阳能电池在建筑一体化光伏中的应用现状与发展前景。该文深入分析了ST-PSCs在光吸收、透射与反射之间的平衡策略，探讨了通过能带调控、微结构设计、多层光学结构与透明电极优化等手段实现高效率与高透光率兼得的可行方案。文章还总结了当前面临的技术挑战，并提出了未来研究的方向，特别是在界面稳定性、大面积制备与多场景适用性方面的突破点。
图1. PSC中的光传输路径示意图以及实现ST-PSC和彩色PSC策略。
本 文 要 点
要点一：半透明钙钛矿太阳能电池的光管理策略
ST-PSCs的光学性能主要通过调节钙钛矿层厚度、能带结构以及功能层的折射率匹配来实现。通过引入抗反射层、优化电极透光性、设计微结构岛状钙钛矿阵列等方法，可在保证一定PCE的前提下显著提升AVT。例如，超薄钙钛矿层(<100 nm)结合宽禁带材料(如CsPbBr₃)可实现高达59.8%的AVT，但同时也面临膜层均匀性与载流子传输的挑战。
要点二：功能层工程与透明电极设计
透明电极(如ITO、AgNWs、DMD结构)和电荷传输层(ETL/HTL)的光学与电学性能对ST-PSCs的整体表现至关重要。采用介电/金属/介电(DMD)多层电极结构可同时提高透光性与稳定性，而碳纳米管(CNT)和石墨烯电极则展现出在柔性器件中的潜力。此外，无HTL结构或使用高透光率的替代材料(如In₂O₃:H)也是提升AVT的有效策略。
要点三：微结构与光子工程诱导透明度
通过微图案化、岛状结构、光子晶体和逆向蛋白石(IO)等微纳结构设计，可在不影响光电性能的前提下实现颜色的动态调控与透光率的提升。例如，通过溶胀诱导裂纹法制备的钙钛矿微电池可实现20.1%的PCE，且具备良好的角度依赖性色彩表现。
要点四：彩色PSCs的实现与建筑美学融合
通过透射式与反射式色彩调控策略，如能带工程、光学微腔、多层干涉结构与光子晶体，可实现从红、绿、蓝到中性色的全光谱色彩覆盖。这些色彩不仅增强建筑立面的美观性，还能通过选择性反射减少室内热负荷，提升能效。
要点五：前瞻与挑战
尽管ST-PSCs在效率与美观性方面取得显著进展，但其在实际BIPV应用中仍面临界面稳定性、大面积制备工艺、角度依赖性光学行为以及长期耐久性等挑战。未来需借助原位表征技术(如冷冻电镜、原位红外)、多物理场仿真与跨学科合作，推动其从实验室走向商业化应用。
文 章 链 接
“Energy-generating windows integrating aesthetically tunable perovskite solar cells for customizable BIPV applications”
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894725082555
通 讯 作 者 简 介
汤云教授简介：西安建筑科技大学材料科学与工程学院，教授，博士生导师，2014年博士毕业于中国科学院上海硅酸盐研究所。长期从事光电材料和电磁功能材料研究。主持国家级项目/课题3项，省部级项目5项。以第一/通讯作者身份在Nano
energy, Chemical engineering Journal, Carbon等学术期刊上发表SCI论文30余篇。
刘生忠教授简介：中科院大连化学物理研究所研究员，国家特聘专家，入选全球2%顶尖科学家榜单，博士生导师，中核光电首席科学家、董事兼副总经理。迄今已在Nature、Science等期刊发表论文500余篇，总引用4.75万次，单篇最高引用1453次，h-index>120，获国际和中国授权专利一百余项，连年入选全球高被引学者，指导培养5名全球高被引科学家。
冯江山副教授简介：陕西师范大学材料科学与工程学院(新能源高等技术研究院)副研究员，主要从事新能源材料及钙钛矿太阳电池制备与研究工作，在Advanced Materials, Energy & Environmental Science, Nano Energy, Angewandte Chemie-International Edition, Materials，等期刊发表论文40余篇。Frontiers in Materials 期刊客座主编， Materials期刊客座编辑，多家知名期刊审稿人。
第 一 作 者 简 介
严楠：2024年6月博士毕业于陕西师范大学材料科学与工程学院，目前为西安建筑科技大学材料科学与工程学院副教授，中科院大连化学物理研究所博士后，主要从事钙钛矿光电材料与器件的研究。目前以第一/通讯作者累计发表SCI论文10余篇，含Energ. Environ. Sci.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.等期刊，累计影响因子超150。主持校级科研项目2项，横向课题2项，参与国家自然科学基金项目一项。
参考消息来源：科学材料站
