有机光伏电池在建筑光伏一体化中的应用及前景

朱朝锋, 赵振民, 孙宇晴, 阚志鹏

(广西大学 物理科学与工程技术学院, 广西 南宁 530004)

0 引言

2020年9月22日,习近平总书记在第七十五届联合国大会一般性辩论上向全世界作出“中国将提高国家自主贡献力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和”(以下简称“双碳”)的重大宣示[1]。实现“双碳”目标,不是别人让我们做,而是我们自己必须要做。近年来,国家不断推进落实“双碳”目标,光伏发电等可再生能源处于大有可为的战略机遇期[2]。“建筑减碳”已是我国碳达峰的攻坚市场,打造低能耗绿色建筑,将是实现建筑“双碳”的重要路径[3]。

近年来,以“Y6”为代表的Y系列近红外受体材料快速发展,将有机光伏电池的光电转换效率提高至20%。实验室中单结有机光伏电池的光电转换效率已接近20%[4-8],叠层电池的光电转换效率达到了20.6%[9],并朝着热力学限制极限的单结效率25%[10]稳步迈进,这些突破性进展为有机光伏产业化应用带来了曙光。其中,半透明有机光伏电池拥有建造舒适外观的彩色半透明窗户,实现建筑一体化的前景[11],被认为是生产清洁能源的有效解决方案。

有机光伏电池在未来的多功能自供电温室[12]、建筑光伏一体化[13]、室内光伏[14-15]、便携式发电和可穿戴设备[16]等方面的潜在应用更是引起了人们的广泛关注,具有广阔的应用和发展前景,有利于推进光伏发电多元布局和太阳能发电大规模开发与高质量发展。在应用前景上,半透明有机光伏电池的主要应用方向是与建筑物集成,兼具采光和发电功能的窗户对于大众颇具吸引力。薄膜状的有机光伏模组结合半透明的形态,可以为光伏产业拓宽更多应用场景,如:有机光伏材料可以在透过可见光的同时利用不可见光发电,在建筑玻璃、新能源汽车玻璃等领域有巨大的应用前景;可以利用有机光伏电池具有的颜色可变化的特点,满足人们对于视觉美感的追求。在高度城市化的时代背景下,城市建设迅猛发展,玻璃幕墙被大量地应用在办公楼、酒店、大型公共建筑中,未来将具有不同颜色的彩色半透明有机太阳电池应用于高楼大厦的玻璃幕墙,是一个非常有潜力的应用方向。

1 光伏建筑一体化概念

打造低能耗绿色建筑最有效的方式就是安装光伏,根据光伏方阵与建筑结合的方式不同[17-18]可分为两大类:第一类是光伏方阵与建筑的结合(building attached photovoltaic, BAPV),这种方式是在已有建筑物的屋顶、墙体等结构上安装光伏方阵,不会对原有建筑物的功能造成影响;第二类是光伏方阵与建筑的集成,即光伏建筑一体化(building integrated photovoltaic,简称BIPV),这种方式是以一种建筑材料的形式出现光伏方阵,是建筑的组成部分[17-19]。

BIPV是通过在建筑物的外表面安装光伏方阵来提供电力,通过周围环境、建筑功能以及气候条件的变化对光伏方阵的安装进行布局,将光伏发电方阵与建筑有效地集成在一起,是一种新型方法[1],因此,适合于BIPV的光伏组件不仅要求可以进行光伏发电,还应具备建筑物所需要的基本功能,使光伏组件与建筑之间能够和谐统一。BIPV是应用太阳能发电的一种新概念、新方法[17-18],依据建设地点的地理、气候条件、建筑功能、周围环境等因素进行规划设计,确定建筑布局、朝向、间距、群体组合和空间环境,将太阳能发电(光伏)产品集成到建筑上的技术,即将太阳能光伏发电方阵安装在建筑的围护结构外表面来提供电力[17-18]。BIPV作为光伏建筑的一种新形式,对光伏组件的要求较高。光伏组件在满足光伏发电功能要求的同时,还要兼顾建筑的基本功能要求[17-18],不影响光伏组件安装部位的建筑功能,并与建筑协调一致,保持建筑统一和谐的外观。

2 有机光伏在建筑光伏一体化中的优势

相对于无机钙钛矿光伏电池以及传统的硅太阳能电池,有机半导体材料具有较高的吸收系数以及卓越的延展性,使得制备出的有机光伏活性层超薄(厚度仅有100 nm),保证了其独特的透明性、柔韧性,更易安装与拆卸,保证了其多样的应用场景。由C、H、N、F、O、S等常见的有机元素制成的有机光伏电池,其原材料便宜、丰富、易回收利用,成本较低,利于大面积制备。

在有机光伏电池中,活性层即吸光层起到吸收太阳光并将其转化为电能的主要功能。由有机光伏给体材料和受体材料共混而成的活性层一直是人们研究的重点对象之一。有机光伏电池是以有机半导体材料为活性层,但有机半导体材料是通过范德华力结合,能带较窄。由于相邻分子的弱相互作用,因此有机半导体中较深的轨道彼此相对独立,而不是形成连续的电子态密度[10]。此外,有机半导体中初级跃迁的非常大的振荡强度使它们在相对窄的光谱带上具有高度吸收性。有机半导体的吸收系数为105～106cm-1,比近红外(near-infrared, NIR)中的直接间隙无机半导体高1～2个数量级[10],而且,有机半导体材料的能级是连续可调的,因此可以通过巧妙地设计有机光伏活性层中的分子结构,增强对NIR区域光吸收的同时减小对可见光的吸收,在不牺牲活性层膜厚的情况下实现了半透明,而这种特点对于实现建筑光伏一体化意义重大。例如:有机光伏玻璃可以用于建筑集成,有机光伏面板可用于农业温室屋顶等。有机光伏材料可通过化学剪裁实现对其吸收光谱的精确调控,从而表现出可见光半透明的独特性质,这一既透光又发电的特性将光伏技术的应用场景拓展到光伏建筑一体化与光伏农业大棚等新兴领域,为光伏产业注入了全新的概念,高度契合建筑光伏一体化要求。半透明有机太阳能电池由于能够建造出具有舒适外观的彩色半透明窗户、实现光伏建筑一体化的前景,被认为是生产清洁能源的有效解决方案[20](图1)。

图1 太阳辐射光谱和不同带隙材料的吸收光谱以及共轭聚合物中给体和受体单元的轨道杂化示意图[20]Fig.1 Solar spectrum, and normalized UV-vis-NIR absorption spectra of wide bandgap donor (WBG-D), low bandgap donor (LBG-D), and low bandgap acceptor (LBG-A); Orbital hybridization of donor and acceptor units in conjugated polymers

目前,半透明有机太阳能电池的发展仍面临着一个核心挑战:如何在保持良好的平均可见光透过率(average visible transmission, AVT)的同时实现较高的能量转换效率。因此,亟需发展高效的光学调控手段以提升器件在非可见光区的光吸收,尤其对于目前仍未被高效利用的占太阳光能量接近50%的近红外光。有机半导体材料区别于无机半导体材料的一个特征是分子之间没有化学键,无机半导体主要是共价键结合的,导致电子在整个固体中的离域,因此,电荷在一定距离内相对不受阻碍地移动,导致高电荷迁移率和几个电子伏特的宽能带。宽的能带导致材料在宽的能量范围内不透明,为了提供足够的透明度,通常需要减小光活性层的厚度来减少电池对太阳光的捕获效率,降低光电转换效率。为了实现高的光利用率,半透明有机太阳能电池需要尽可能地吸收近紫外和近红外区域的光子,同时允许可见光透过。几种可供选择的活性层组合包括全近红外策略、全近紫外策略和近红外-近紫外组合策略[20]。近红外-近紫外组合策略是指在半透明有机太阳能电池活性层中,给体材料选择性地吸收近紫外光,而受体材料吸收近红外光。由于超宽带隙聚合物具有近紫外光吸收,可以避免与人眼响应光谱重叠,与近红外受体匹配时可以保证较高的短路电流密度,因此是高效半透明有机太阳能电池的理想电子给体[20]。半透明有机光伏电池在可见光区域内存在2个透过窗口,分别位于波长400～470 nm(紫光至蓝光)和波长550～650 nm(黄光至红光),通过改变活性层中给体与受体质量比,可以调控这2个窗口的相对透过强度,从而制成具有视觉美感的彩色半透明有机太阳能电池。

3 有机光伏在建筑光伏一体化中的材料设计

光学吸收窗口是评价近红外光材料的重要指标之一。美国加州大学洛杉矶分校杨阳教授等[21]将近红外光材料(包含给体与受体)依照吸收窗口分为波长700～800、>800～900、>900～1 000 nm及大于1 000 nm 4个区域[21](图2)。为了进一步加深对近红外给体材料的基本理解,强调了分子内电荷转移效应(intramolecular charge transfer, ICT)的强度与给受体单元推拉电子能力强弱以及其吸收窗口的关系[21]。比如:当较弱的给体单元(如BDT)与较弱受体单元(如TT)配对时,所得的给体聚合物材料的吸收边位于为700～800 nm窗口。逐步增加给体单元的给电子能力并将其与较强的受体单元配对可以有效增强ICT效应并且使吸收窗口显著红移。较弱的给体单元与较强受体单元仍然可以产生具有中间区域吸收窗口的给体材料,如PDPP-DTS。吸收边大于1 000 nm的给体材料是由一些最强的给体单元和受体单元组合实现的,包括DTT、DTP、DT和DPP。杨阳教授等[21]总结出了一些用于设计近红外给体材料的给受体单元,从而揭示如何通过选择给受体单元来促进ICT。这些研究将有助于实现对近红外能量更加有效的利用。

图2 给受体单元组合形成的具有不同吸收窗口的近红外给体材料的示意图[21]Fig.2 Selected electron-donating and electron-withdrawing groups with increasing strengths are paired to yield the corresponding chemical structures (left); Two representative donor molecules for each absorption window are shown on the right

给体材料在有机光伏的活性层中起到了重要的作用,影响着器件的光电性能。早期大多数的给体如P3HT,其吸收主要集中在可见光区域。考虑到有近一半的太阳光谱的能量集中在红外区域,因此通过材料设计实现红外光的利用从而提高转换效率具有重要的研究价值。近红外的吸收主要通过调节电子给体单元(D)与电子受体单元(A)之间的分子内电荷转移效应(ICT)来实现[21](图3)。通过设计较强的给受体单元从而增强ICT效应可以有效拓宽给体材料的吸光范围,有利于实现一些特殊的器件应用[21],例如:半透明有机光伏电池、叠层有机光伏电池和有机光电探测器。

图3 给受体单元组合形成的具有不同吸收窗口的近红外受体材料的示意图[21]Fig.3 Relationship between intramolecular charge transfer (ICT) effects and acceptor absorption windows.Electron-donating donor units and electron-withdrawing acceptor units with increasing strengths are paired to yield acceptor molecules with enhancing ICT effects and redshifting absorption windows

受体材料的吸收窗口可以通过选择不同强度的给受体单元来调节。根据其相应的“推拉”电子的能力将给受体单元分为弱、中、强3个等级[21]。例如,IDT和IDTT是弱给体单元,而PDTT和DTPC是强给体单元,具有DA′D复合结构的BZPT是中等强度的给体单元。对于受体材料而言,IC被定义为标准的中等强度的受体单元。通过氟化或者氯化,相应的IC衍生物将变成强受体单元。相反,甲基化的IC是弱受体单元。给受体单元的强弱顺序为设计具有特定吸收窗口的非富勒烯受体材料提供了依据。目前,关于受体的研究主要集中于吸收波长小于1 000 nm的材料,其中所使用的受体单元主要为IC及其衍生物。因此,开发新型的受体单元以及吸收波长大于1 000 nm的受体分子具有重要的研究意义[21]。除此以外,探索A-D-A或A-DA′D-A以外的ICT模式可能有助于实现更强的ICT效应。

非富勒烯受体由于其独特的优势,例如吸收和能级的可调节性、较高的吸光系数、可控的结晶性和较小的能量损失,逐渐成为了有机光伏研究领域的中心。具有A-D-A结构的稠环电子受体(fused-ring electron acceptors, FREAs)材料是主要的高性能非富勒烯受体,其特征结构单元为给电子的中心稠核以及吸电子的两侧端基[21]。基于非富勒烯受体的有机光伏器件展现出较高的器件效率和稳定性,其中,近红外的非富勒烯受体材料能更加有效地利用低能量的光子,从而提升器件的效率。此外,非富勒烯受体的结构可调节性使其可以实现在近红外区域的选择性吸收,将有助于近红外受体材料在半透明有机光伏电池以及叠层有机光伏电池领域的应用。为了将非富勒烯受体的吸收拓展到近红外区域,研究者们将基于给体-受体相互作用的分子内电荷转移效应(ICT)引入受体分子的结构中[21]。调节ICT效应是精确调节受体分子吸收范围的有效策略。由中心稠核和两侧端基组成的A-D-A结构是最普遍的ICT模式。在中心的受体单元内插入另一个给体单元,形成具有多重ICT效应的A-DA′D-A结构可进一步实现对非富勒烯受体材料吸收和能级的精确调控[21]。基于这2种ICT模式,研究者们利用不同的化学结构修饰和组合可以有效地调控ICT效应的强度。

非富勒受体的带隙很小,其吸收可以扩展到波长900～1 000 nm处的近红外区域,而且其吸收系数可以达到104～105cm-1,且随着对非富勒烯小分子的设计,其吸收系数与吸光范围有望进一步扩展。太阳光在穿过大气层之前,到达大气上界时太阳辐射能量的99%以上分布在波长150～4 000 nm的区间;大约50%的太阳辐射能量在可见光谱区(即波长400～780 nm),7%在紫外光谱区(即波长<400 nm),43%在红外光谱区(即波长>780 nm);最大能量出现在波长约500 nm处,即蓝绿光波段。相较于紫外可见区,红外区占据了太阳光光谱能量的近1/2,且近红外区的光子能量较低,更容易被有效的吸收利用,因此,通过有效地吸收利用太阳光谱中红外区的能量,有机光伏器件的短路电流将大幅度提高,从而实现光电转换效率的新突破。

4 有机光伏在建筑光伏一体化中的应用场景

太阳能光伏对于光伏建筑一体化的未来发展尤为重要,其具有建材化、构件化等特点,有利于光伏建筑一体化应用于多个场景[22]。近年来携带不同建材功能的太阳能光伏产品层出不穷,应用场景也多种多样,例如:光伏屋面,顾名思义是在屋顶安装太阳能光伏组件;相对应的安装在建筑物墙面上的又称为“光伏幕墙”;安装光伏组件于附属建筑结构上的又叫做建筑走廊,常会形成光伏遮阳帘[22];当光伏组件结合充电桩以及储能设备时,又可以设计为“光伏车棚”;除此之外,光伏产品也可以用于公交站亭、农业大棚等场所,这些应用场景共同构成了光伏产品庞大的应用网[22]。

4.1 有机光伏屋面

BIPV中的“光伏屋面”,是直接将光伏组件做成光伏屋顶,代替原来的建筑屋顶,直接起到屋顶与光伏发电双重作用,此处的光伏屋顶的光伏组件选材要具备建筑屋顶的质量指标[3]。但这样完全失去了钢结构的辅助,因此对光伏瓦或光伏砖本身的材料强度和性能提出了更高的要求[23],同时也要求光伏组件有更高的定制化特征[23]以适配不同的建筑需求。另外,想要实现光伏组件与建材的充分融合,势必要使用价格更高的薄膜型光伏电池,成本较高,短时间内还难以向市场推广。BIPV旨在通过更先进的技术,达成在建筑属性、美学属性、低碳能源功能属性多维协同方面的创新与突破。例如特斯拉的光伏屋顶瓦片Solar Roof,直接将电池片作为瓦片安装在屋顶上,外观与传统屋顶几乎没有区别。

屋面作为建筑物的顶部,是围护结构的重要组成,主要是用来防御极端环境的影响,如雨、雪等[22]。考虑到屋面材料作为围护结构的重要的载体,当太阳能光伏组件应用于其中时,不仅要能够有效吸收不可见太阳光并将太阳光转化为电能储存起来,还要求能够有效地透射可见光。根据构成屋面材料的不同,主要可以分为金属屋面以及混凝土屋面[22]。大部分居民、商业以及公共建筑都是以混凝土屋面为主,而金属屋面主要存在于工厂厂房。在商业厂房中,用电量大并且电费价格昂贵,经济性、安全性是业主首先要考虑到的问题,再结合商业厂房屋面资源较为丰富、屋面面积大的特点,因此,相对于传统的工商业分布式光伏电站,BIPV更为适合[22]。

美国清洁千瓦有限责任公司的Eric O’Shaughnessy研究员在《Next Energy》上发表的评述文章中,针对不断变化的政策和监管环境、市场对环境的反馈以及市场从早期试点到大规模推广转变的3个方面对光伏产业的发展进行了阐述,表明屋顶光伏产业的发展必将成为低碳减排和绿色能源的正解和福音[24]。屋顶光伏正越来越多地与电池、家庭能源管理系统、电动汽车和智能家居设备等互补技术相结合。目前,一种新兴的方法是利用屋顶光伏系统提供电网服务,可以有效地在用户和电网之间实现价值分配[24]。在欧洲,合法划定的能源社区家庭可以集体采用屋顶光伏发电(图4),这些社区的屋顶光伏用户以自用电价出口光伏发电,而非采用者以低于电网电价的价格购买社区屋顶光伏发电,因此可使得用户有收益。屋顶光伏可能正逐渐成为一种普通的消费产品,但它在清洁能源技术中依然占据着不可撼动的地位[24]。

图4 屋顶光伏商业模式向综合家庭能源解决方案发展的示意图[24]Fig.4 Schematic depiction of the evolution of rooftop PV business models toward integrated home energy solutions

4.2 有机光伏幕墙

光伏屋顶对于现阶段BIPV应用的重要性不言而喻,然而其只是将光伏组件安装于建筑屋顶,相对而言,可以在整个建筑立体面安装光伏组件的光伏幕墙可以提供更多的发电量(图5),因此是重要的研究方向,特别是对于目前所追求的碳中和的目标意义重大,有着更为广阔的发展前景[22]。

图5 太阳能光伏展示馆的示意图[25]Fig.5 Schematic diagram of the solar photovoltaic exhibition hall

光伏幕墙是在建筑物的立体四周安装上太阳能光伏组件,让建筑物达到自主发电的目的,因此相比于只安装于屋顶的光伏屋面所铺盖的面积更大。通过改变光伏组件,可以调节建筑物的花纹,使得其更加丰富多彩,可以适应于不同的建筑风格,是光伏建筑一体化更为完美的答案[22]。由于光伏幕墙的光伏组件安装于建筑物墙壁,除了对其光电转换能力有一定的需求外,也需要满足墙壁的功能性,例如抗风、抗压、防火等,因此,对光伏组件的性能要求更为严格[22]。晶体硅和薄膜太阳能组件是光伏幕墙常见的光伏组件,虽然目前薄膜类的光伏组件光电转换效率偏低,但其颜色可调,色彩饱满,并且具有优异的弱光性能,非常适用于不同美学需求的光伏幕墙。

4.3 有机光伏窗户

有机光伏技术可以用于构建集成光伏(BIPV),从而成为一种新型分布式电源。建筑是最重要的能源消耗者,开发创新技术以提高建筑能效就显得至关重要。考虑到建筑中有超过千亿平方米的玻璃窗户,除了使用低反射率玻璃和薄膜等节能方法外,还可以利用半透明有机太阳能电池(ST-OSCs)来制造电力窗户,从而达到集成光伏窗口的目的,这一方案非常值得探索。实现具有发电和节能效果的透明电力窗户需要创新设计多功能半透明有机光伏电池,使其能够精确利用太阳光谱的可见光到红外光。事实上,半透明有机光伏电池衍生的电力窗户应具有令人满意的光电转换效率、平均可见光透明度(AVT)、高逼真度的色彩表现,显色指数(color rendering index, CRI)超过90[25-26]。此外,为了实现节能性,高效半透明有机光伏电池还应具有优异的红外光辐射抑制[27]。然而,开发能够同时解决这些多维参数的半透明有机光伏电池组件仍然存在很多挑战,特别是对于大规模组件。

浙江大学李昌治教授研究团队开发了一种高性能透明电力窗户[28](图6),其具有卓越的发电和节能特点。研究人员制备的半透明有机光伏电池同时获得了32%的AVT、90%的CRI和11%以上的光电转换效率,其具有透明电力窗户的优异特性,很好地解决了传统光伏面临的复杂透光率和性能之间的权衡问题。更重要的是,研究人员还成功制备了大面积组件,透明器件的光电转换效率为11.28%,创下了新记录。此外,这些组件在晴天、阴天和雨天的连续室外操作中能够正常工作。能源模型分析表明,如果在新建筑中安装这种类型的透明电力窗户,预计国内二氧化碳年排放量将减少1.3×109t,全球二氧化碳年排放量将减少6.7×109t[28]。该工作中所开发的基于半透明有机光伏电池的电力窗户将在建筑中带来非常可观的清洁能源收益。

图6 透明电力窗户[28]Fig.6 See-through power windows

窗户是热量增加或损失的主要来源,是建筑围护结构中能源效率最低的部分,因此,人们开发了各种节能窗,大部分工作集中在光谱选择性光学涂层、基于电致变色、光致变色和热致变色现象的显色涂层,以及近紫外太阳能电池与电致变色窗结合等。尽管它们减轻了室内制冷的负担并降低了建筑能耗,但这些窗户不可避免地将大部分紫外和近红外波段的太阳能消散为废热,特别是在炎热的季节,降低了建筑能源效率并加剧了城市热岛效应。透明光伏/光热一体化窗户,集成将紫外线转化为电能的透明光伏和将近红外线转化为热能的透明太阳能吸收器,结合通风系统以提取热量供室内使用,在寒冷季节提供室内空间供暖或在炎热季节减少室内冷负荷。与普通的透明光伏相比,太阳能窗户提高太阳能收集效率,同时保持了相当高的可见光透射率。

香港科技大学姚舒怀和黄宝陵等研究者开发了由透明光伏和透明太阳能吸收器组成的全光谱利用的选择性太阳能收集窗户[29](图7)。研究者证明了该窗户的可见光透射率为42%,在通风温度升高10 ℃时,太阳能-电能转换效率为0.75%,太阳能-热转换效率为24%。与普通透明光伏相比,该窗户将太阳能收集效率提高了3倍。另外,研究者进行了建筑能耗模拟,结果表明,相比于普通节能玻璃,该窗户每年进一步节省能源消耗高达61.5%,在此基础上,其发电量占年节能量的19.1%。此研究中的窗户是首次报道的透明光伏/热系统,在可加工性、成本效益和商业适应性方面具有显著优势,可能会开创节能建筑的新设计理念[29]。

图7 选择性太阳能收集窗户的设想[29]Fig.7 Concept of the selective solar harvesting window

4.4 有机光伏农业

在全球人口不断增长的情况下,有限农业土地上的可持续粮食和能源供应是一项重大挑战。农业光伏温室系统作为一项新技术,可以减少燃料和电网电力消耗,但光伏发电与光合作用存在冲突,因为两者都使用太阳能作为输入能源。有机光伏是独一无二的,它具有波长选择性吸收光谱的灵活性。因此,有机光伏与传统覆膜温室的搭配是必然的。

2021年3月17日,《Cell Reports Physical Science》在线发表了北卡罗莱纳州立大学(NC State University,NCSU)的一项研究成果[30]表明,生菜可以在光伏电池吸收掉部分阳光波长的温室中正常生长(图8),证明在温室中使用透光太阳能电池板发电的可行性。由于植物没有利用阳光中的所有波长的光进行光合作用,研究人员探索了制造半透明有机太阳能电池的想法,该太阳能电池主要吸收植物不依赖的阳光波段,并将这些太阳能电池整合到温室系统中。NCSU早期研究集中在太阳能温室能产生多少能量上,根据温室的设计和所处的位置,太阳能电池可以使许多温室保持能源平衡,甚至使它们产生的能源超过其使用的能源。“我们对此也有些许吃惊——植物生长和健康并没有实际减少”,该研究的共同通信作者、NCSU植物生物学教授海克·塞德罗夫(Heike Sederoff)说,“这意味着将透明太阳能电池集成到温室中的想法是可行的。”

农业光伏成为了一个新兴领域,它的重点在于利用土地同时进行太阳能发电和农业种植。近日,美国加州大学洛杉矶分校杨阳教授、大连理工大学王敏焕副教授和土耳其马尔马拉大学Ilhan Yavuz教授等人联合在期刊《Nature Sustainability》上报道了一种增强半透明有机太阳能电池的策略,可代替玻璃温室[29]。研究人员在太阳能电池中添加了一层名为L-谷胱甘肽的天然化学物质[31],L-谷胱甘肽层阻止了太阳能电池中其他材料的氧化,使得有机光伏电池在连续使用1 008 h后仍能保持84%以上的效率,半透明有机光伏电池的功率转换效率为13.5%,平均可见透过率为21.5%。

为了验证在光伏/光合作用集成系统中种植各种植物的潜力,研究者们建造了带有半透明有机光伏屋顶的温室,并比较了多种常见作物在这些温室中的生长条件[31]。在半透明有机光伏屋顶温室中植物的发芽长度和成活率,与在具有透明玻璃或空间分段无机太阳能电池屋顶的温室中生长的植物相当或更好。结果表明,半透明有机光伏在温室屋顶中的整合不会损害植物的生长(通过竞争阳光吸收)。有趣的是,半透明的有机光伏屋顶可以保护植物免受有害的紫外线照射,并促进温室中植物的生长。在这种情况下,光伏和光合作用系统可以通过集成相互受益[31]。温室试验结果表明,半透明的有机光伏屋顶有利于作物的成活率和生长,进一步说明本论文中的方法在应对粮食和能源挑战方面的重要性。在这些发现之后,该团队已经在加州大学洛杉矶分校建立了一个创业公司,旨在扩大有机太阳能电池的生产规模,供工业使用。研究人员说,他们希望在未来能将安装有机光伏电池的环保温室投入商业使用[31]。

5 建筑光伏一体化机遇与挑战并存

从“30·60”及风光装机目标,可以预测到新能源行业(例如风电、光伏等)将在未来迎来巨大的进步[28]。在成本持续下降、鼓励政策以及隐含收益逐渐被认可的带动下,BIPV市场规模到2030年或将达到4 000亿元左右,累计渗透率将从2020年的0.1%提升至2030年的5.0%[28]。随着BIPV市场的蓬勃发展,在面临发展和机遇的同时,BIPV产业还存在众多不足。

5.1 产业生态需成熟

目前,BIPV还处于新型产业,整个产业环境还不成熟,与其他的产业间的合作还很难开展,包括BIPV应用到市场后的后期的运营与相应的维护还存在很多的难点,其中的商业运营模式也需要不断完善。根据技术扩散理论,新兴技术的应用会经历不同的发展阶段。新技术是由早期用户引进的,他们的个人兴趣或预算促使他们承担新兴产品较高的原始成本[24]。大规模扩散给光伏产业带来了新的不确定挑战。一些市场趋势已经反映出对大规模扩散的适应性。例如,在美国,发展替代性融资模式是向低收入家庭推广光伏发电的关键因素[24]。

5.2 行业标准需健全

本质上来说,BIPV属于跨领域产业,目前处于发展的初级阶段。作为建筑材料,不仅要满足市场上对于BIPV的光伏发电的需求,还应具有优异的机械性能、电气性能、防火性能等来保证其可靠性[22]。目前国内还没有对光伏性能与机械性能的结合制定相应的标准,因此仍需要对其继续进行深度的研究。此外,BIPV作为一种新兴行业也同样缺少具体的行业标准,此标准应该包括:产品设计、工程建设、检测验收等,为后续光伏一体化的工程设计建设提供标准[22]。

5.3 政策支持需完善

自《2030年前碳达峰行动计划》发布以来[32],根据国家部署,各省、自治区、直辖市政府结合各地的资源环境、产业布局、发展阶段等,科学制定了碳达峰行动计划。

《广西壮族自治区碳达峰实施方案》中,工业领域碳达峰行动强调,工业是产生碳排放的主要领域之一,对全区整体实现碳达峰具有重要影响[33]。工业领域要加快推进绿色低碳转型、优质发展,与全区同步推进:①推动工业领域绿色低碳发展;②推动钢铁行业碳达峰;③推动有色金属行业碳达峰;④推动建材行业碳达峰;⑤推动石化化工行业碳达峰;⑥坚决遏制高耗能、高排放、低水平项目盲目发展。

为了更好地实现“30·60”目标,2021年下半年,我国出台了多个政策来推动光伏建筑行业的发展,在《关于促进城乡建设绿色发展的意见》中提出,智能光伏与绿色建筑的融合发展是至关重要的。《2030年前碳达峰行动方案》强调了要争取在2025年有50%的新建公共、厂房建筑的屋顶配备有光伏组件;2022年印发的《建筑节能与可再生能源利用通用规范》《“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划》等政策中指出,建筑碳排放自2022年4月1日起强制计算,城镇新建建筑中绿色建筑能耗和碳排放增长在2025年被有效控制,广泛推广光伏建筑一体化并加快优化建筑用能的结构。

在当前“碳达峰、碳中和”的大背景下,建筑领域的绿色低碳发展已成为实现“双碳”目标的关键一环。在国家政策指引下,地方政府层面BIPV政策进入密集落地期,行业迎来快速发展。因此,政府应加大政策引导和支持力度,制定绿色建筑强制性政策和标准,积极引导产业转型升级,释放长期利好的信号,鼓励企业投入资金研发,通过材料创新、技术创新、工艺创新降低BIPV成本,扩展应用场景。

5.4 增强国际合作

“碳达峰、碳中和”需要政府的政策制定和支持,也需要国际合作的助力。政府要出台相关减排政策和措施,鼓励企业和公众参与到减排活动中,同时加强国际合作,共同应对气候变化。“碳达峰、碳中和”需要社会各界的参与和认知。公众对于气候变化的认知和支持,以及企业和机构的积极参与,都对于“碳达峰、碳中和”的实现起到了关键作用。

虽然“碳达峰、碳中和”的时间节点因各国情况而异,但在全球范围内,很多国家都已经宣布了“碳达峰、碳中和”的目标。面对气候变化,不仅中国做出了积极应对的战略部署,越来越多的国家政府也已经或正在将“碳中和”转化为国家战略,提出了无碳未来的愿景。

2020年9月16日,欧盟委员会主席乌尔苏拉·冯德莱恩发表《盟情咨文》宣布欧盟的减排目标:2030年,欧盟的温室气体排放量将比1990年至少减少55%,到2050年,欧洲将成为世界第一个“碳中和”的大陆。实现“碳达峰、碳中和”是全球应对气候变化的紧迫任务,各国需要根据自身国情制定相应的减排目标和路线图,并加强国际合作,共同应对气候变化挑战。

6 结语

高效、半透明有机光伏的出现开辟了新的太阳能应用市场,而目前的硅基光伏技术还不能很好地满足这些市场的需求。有机材料的选择性吸收光谱使其在可见光半透明、近红外吸收强的发电窗口中的应用具有吸引力。这种窗口需要一套适当的材料,用以同时提供高效率和可见光透明度,以及能将未被吸收的近红外辐射反射回电池中进行二次反射的光学涂层,同时最大限度地将可见光耦合出来。光学涂层的设计还可以增强窗户对红外光的反射,从而减少室内制冷所需的能量,因此,装有光学涂层高效、半透明有机光伏的窗户有可能为建筑物提供大量能源,并通过阻挡红外波长来减少建筑物的制冷负荷,从而抵消总体耗电量。相比于太阳能电池,有机发电窗的另一个优点是能够在阴凉、弱光甚至室内照明条件下正常工作。未来将会看到更多的光伏幕墙、光伏屋顶、光伏窗户、光伏农业大棚出现在身边。随着新能源的不断发展和城市节能减排、绿色环保需求的日益增加,太阳能光伏建筑一体化越来越成为“超低能耗”和“净零能耗”太阳能应用的新潮流。