上海交通大学马涛教授团队Nexus：光伏材料不必本身透明——分域半透明光伏的新路径

1. 当光伏从屋顶走向立面窗户

建筑光伏最常见的应用场景是屋顶。但在高层建筑和高密度城市中，可利用屋顶面积相对有限，建筑立面和窗户正成为进一步拓展太阳能利用空间的重要载体。此时，光伏组件也不再只是附着在表面的发电设备，还需要兼顾建筑构件功能。

这也带来了一个直接的问题：太阳能电池依靠吸收太阳光发电，而透明围护结构需要让光通过，二者如何兼顾？半透明光伏正是在这一需求下发展起来。它既要提供一定的发电能力，也要满足透明建筑构件对透光和视觉效果的要求。这一双重目标决定了它不能照搬常规太阳能电池的设计思路。

2. 半透明光伏如何实现？

从透射光如何产生来看，半透明光伏大致可以分为三种实现机制：

第一类是材料与器件本身透光。通过减薄吸收层、调节材料吸收特性或使用半透明电极，使部分可见光直接穿过光伏器件活性层。

第二类是调控光的传播路径。借助光谱转换、波导或选择性反射层等外部光学结构，让用于采光和用于发电的光沿不同路径传播。

第三类就是本文关注的分域半透明光伏（Spatially Partitioned Semitransparent Photovoltaics, SSPV）。它不要求光线必须穿过光伏吸收材料，而是在同一器件中区分发电区域与透光区域。因此，晶硅、CIGS、CdTe、钙钛矿等强吸收甚至不透明的光伏材料，仍然可以保留在发电区域，而器件整体的透明度更多由透光区域的空间结构决定。

3. 分域半透明光伏的发展历程

早期最直接的分域半透明方式，就是在太阳电池片之间预留透光区域，由此形成块状和条带式结构。其中，条带式设计与薄膜光伏的激光划线工艺具有较好的兼容性，至今仍是重要的工业实现路径。

随着半透明光伏应用于窗户、幕墙等对视觉效果要求更高的场景，透明区域的设计从电池片之间转向单片电池内部，分域尺度也随之进一步缩小。在这一尺度下，微孔及其他微尺度图形能够减弱宏观图案的可见性，同时为透明度和视觉效果提供更灵活的设计空间。

近三十年来，围绕微尺度分域结构的实现，研究已经发展出激光加工、刻蚀、以及表面能限域等多种技术。不同技术虽然都能够构建透光区域，但其形成方式却存在明显差异。

4. Top-down和Bottom-up两条技术路线

半透明光伏综述往往按照晶硅、钙钛矿、CIGS 等材料体系分类。本文则换了一个视角：按照透明区域的形成方式重新组织分域半透明光伏。因此，现有技术被归纳为两类基本路线：Top-down和Bottom-up。两者最根本的区别是，透明区域是在光伏结构形成之后被加工出来，还是在材料形成过程中直接被定义。

4.1 Top-down：先形成器件，再定义透光区域

Top-down可以理解为一种先完整制备后减材加工的思路。首先形成较完整的光伏材料或器件结构，再通过机械划刻、激光加工或刻蚀等方法，选择性去除或改变部分区域，从而形成透光通道。这种路线的突出特点是几何结构可控。透明区域的位置、尺寸和形状可以被较精确地定义，因此尤其适合结构稳定、能够承受后续微加工的光电材料。

4.2 Bottom-up：在材料形成过程中直接定义分域结构

Bottom-up则采用了相反的制造逻辑。它不需要先形成完整的光伏层再去除材料，而是通过控制沉积、结晶或组装过程，使光伏材料只在特定区域形成，其余区域自然保留为透光通道。这一思路尤其适合钙钛矿等溶液加工材料，利用材料自身的结晶行为，也可借助物理模板或表面性质引导生长。例如，可控去润湿依靠润湿性差异使液膜退缩，自发形成分离区域；模板限域依靠几何边界约束结晶空间；表面能限域则依靠局部表面能差异引导前驱体优先成核和生长。

5. 从实验室走向建筑：下一步是什么？

分域半透明光伏下一阶段的重点，是进一步提升性能并推动规模化应用。分域半透明光伏能够在发电区域保留高吸收光伏材料，因此，提高发电区域自身的转换效率，是提升器件整体性能的重要途径。高效率钙钛矿/晶硅叠层为此提供了新的方向，并可结合微纳加工策略。另一方面，当器件从小面积样品走向组件尺度后，制造重点也会转向能否稳定、一致地加工出来，加工效率、大面积一致性、良率和成本将成为决定技术能否落地的关键。未来，分域半透明光伏有望从单一发电器件发展为集发电、采光、视觉调控与热管理于一体的多功能建筑能源构件。