二、透明太阳能电池的设计策略
透明太阳能电池主要通过三种途径实现：一是牺牲光电转化效率提高电池的透过率，二是寻求吸收UV/NIR的材料发电，三是利用太阳能荧光聚集器（LSC）。根据以上途径可以将透明太阳能电池分为三类：可见光吸收型、UV/NIR选择性吸收型和LSC型透明太阳能电池。接下来分别对这三种类型的透明太阳能电池进行详细的介绍。
2.1可见光吸收型透明太阳能电池
可见光吸收型透明太阳能电池利用了一部分可见光，通常情况下，这类透明太阳能电池的可见光透过率和光电转化效率是相互对立的，太阳能电池透过率越高，吸收越少，光电转化效率越低。因此，根据不同的应用场所可调节透过率和光电转化效率，这类透明太阳能电池可用于一些建筑物外表面、有色玻璃以及玻璃农业大棚上。可见光吸收型透明太阳能电池的制备主要采用两种技术：区域选择性透光技术和薄膜技术。
2.1.1区域选择性透光技术
区域选择性透光技术是使得太阳光透过太阳能电池板的部分区域，剩下的区域用来吸收太阳能发电，一般情况下是将不透明的光伏电池以特定的间隔排列在透明玻璃上或者将整块光伏电池刻蚀出透光窗口，多用于BIPV上。区域选择性透光技术可用于任意一种太阳能电池，如晶硅、CIGS、CdTe等，而且易于制备，但是太阳能电池所覆盖区域均不透光，影响美观，为了解决这一问题，太阳能电池阵列逐渐向小尺寸发展。
太阳能电池透光孔的尺寸和相邻孔之间的间距越小，总体透过率越均一。为了获得均匀分布的透过率，太阳能电池阵列的尺寸从厘米级减小到微米级。Yoon等制备了1.55mm×50μm×15μm的c-Si太阳能电池，并将其排列在透明的基底上得到透光组件，可通过改变电池阵列之间的间隙调节透过率，如图4(a)所示。Yano等采用相似的方法将直径1.8mm的圆形c-Si太阳能电池排列在mm×90mm的玻璃基底上得到透光组件，如图4(b)所示。
年Seo等提出一种通过在晶硅上打孔来制备无色透明单晶硅（图4(c-e)）太阳能电池的方法：首先在μm厚的c-Si制备了发射场和背面场，形成p-n结；然后采用深度反应离子刻蚀法将硅片打孔，沉积钝化层和减反膜；最后制备电极，其中前电极通过光刻技术制备出微网格结构，背电极通过热蒸发制备nm的Al。透光孔的尺寸要满足所有的可见光都能透过而不发生相互干涉，相邻孔之间的距离要小于人眼可以分辨的最小尺寸。通过改变透光窗口的尺寸和间距可以调节太阳能电池的透过率，当透过率为20%时，得到的晶硅太阳能电池的光电转化效率是12.2%。这种透明晶硅太阳能电池的结构跟传统的晶硅太阳能电池一样，如果能够采用湿法刻蚀透光窗口，成本与目前商业化的晶硅太阳能电池相当。除了上述方法之外，区域选择性透光技术还可通过刻蚀的方法得到，这种方法多用于薄膜太阳能电池。Yang等采用自上而下的刻蚀方法制备了a-Si:H透明太阳能电池，首先采用HCl将透明导电层刻蚀，然后采用反应离子刻蚀法将a-Si:H层刻蚀。
图4(a)相邻电池间距d是m和26m的太阳能电池阵列照片；
(b)电池密度是5.1cellscm-2的光伏组件；
(c)m厚的晶硅原片（左）和经过处理的透明晶硅片（右）；
(d)透明晶硅电池的扫描电镜图片，其中a代表光透过窗口，b代表光吸收区域；
(e)光照射到透明晶硅上示意图。
透明太阳能电池的透过率等于透光区域面积和电池板总体面积的比值，可以通过优化透光孔的尺寸得到最高的透过率。图5列举了不同形状孔的面积和透过率之间的关系，其中相邻孔之间的间隔W是0.3mm。由图5可以看出，在透光孔的面积相同的情况下，六边形孔的透过率最高。例如，在透光孔的面积是0.4mm2时，得到的圆形孔、三角形孔、正方形孔和六边形孔的太阳能电池的透过率分别是38.9%、42.1%、46.0%和48.4%。所以，在设计透明太阳能电池的透光区域形状时可优选六边形。
图5太阳能电池透过率随单个透光孔面积的变化曲线，相邻孔之间的间距是0.3mm
2.1.2薄膜技术
太阳能电池主要是吸收可见光进行发电，薄膜技术是通过减小电池材料吸光层的厚度使得一部分可见光透过，透过光的强度可用朗伯比尔定律表示，如式（1）表示：
其中IT表示透过光的强度，I0表示入射光强度，表示材料的吸收系数，l表示吸收层厚度。吸收层厚度越薄，透过光的强度越大，透过率越高。Gaspera制备了不同厚度的CH3NH3PbI3钙钛矿太阳能电池，如图6(a)所示，CH3NH3PbI3厚度是nm时，透过率仅有7%，随着CH3NH3PbI3厚度的减小电池的透过率增加，厚度是55nm时，电池的透过率是31%。由于太阳能电池材料的吸收系数随着波长的增加而减小，薄膜技术所制备的透明太阳能电池在长波段表现出较高的透过率，所以太阳能电池的颜色多呈现红色。对于薄膜太阳能电池组件来说，透过率与吸收层的透过率变化是不一样的，这是由于薄膜太阳能电池组件是由不同的膜层沉积而成的，不同膜层光学性能不同，而且膜层界面也会对光学性能有影响。因此，在设计薄膜透明太阳能电池时必需要考虑各个膜层的性能。
薄膜技术适用于所有的薄膜太阳能电池，如非晶硅、CdTe、CIGS、有机、染料敏化、量子点、钙钛矿等太阳能电池，其光电转化效率相对透过率的曲线如图6(b)所示。尽管有机、量子点和钙钛矿太阳能电池表现出较好的光电转化效率，但在潮湿、光照和氧气环境中的稳定性较差，而无机薄膜太阳能电池稳定性较好。目前，CdTe和CIGS薄膜太阳能电池已经实现产业化，成都中建材和龙焱生产的CdTe薄膜太阳能电池已经广泛用于BIPV上。
图6(a)钙钛矿太阳能电池透过率随CH3NH3PbI3厚度变化的曲线；
(b)薄膜技术型透明太阳能电池的光电转化效率和透过率相对曲线
2.2UV/NIR选择性吸收型透明太阳能电池
在太阳光谱中，UV（nm）占6.6%，可见光（~nm）占44.7%，NIR（nm）占48.7%，这意味着如果太阳能电池能利用UV/NIR发电也会有巨大的潜能。透明太阳能电池的理想吸光材料能够吸收所有的不可见光（UV和NIR），并能够使可见光透过。
Yang等制备了高性能的透明有机太阳能电池，光吸收层是PBDTT-DPP和PCBM构成的异质结，只吸收近红外光，得到的光电转化效率约4%，在nm波长的透过率为66%，如图7(a-d)所示。Lunt等通过调整卤化物钙钛矿的材料组成，可以调控材料的带隙。理论上，带隙在2.8eV左右时，太阳能电池的光电转化效率为7%，可见光透过率99%。不同组成的卤化物钙钛矿材料的吸收光谱如图7(f)所示，太阳能电池的结构如图7(g)所示，所制备的MAPbCl3太阳能电池的光电转化效率是0.33%，可见光透过率是72.1%，CRI是94.4；而MAPbCl2.4Br0.6太阳能电池（图7(e)）光电转化效率是0.52%，可见光透过率是73%，CRI是93.8。Kim等开发了一种全无机氧化物的透明太阳能电池（图7(h)），其结构为AgNW/p-NiO/n-TiO2/FTO，NiO和TiO2具有较高的光学带隙，在短波（nm）范围内有强烈的吸收，从而导致电荷分离，然后利用p-NiO/n-TiO2形成异质结驱动电子传输，得到的太阳能电池的透过率高于60%，紫外区的光电转化效率可20%。随后，Kim等人又制备了一种Glass/FTO/AZO/ZnO/NiO/AgNW结构的无机氧化物透明太阳能电池，为了提高该电池的转化效率，将15nm的非晶硅薄膜插入到两种半导体氧化物中间，如图7(i-l)，最后得到的电池的透过率约40%，光电转化效率达到4.8%。
图7(a)透明有机太阳能电池的光学照片；
(b)透明有机太阳能电池的结构示意图；
(c)光吸收异质结结构式；
(d)PBDTT-DPP和PCBM的吸收光谱以及异质结的透过光谱；
(e)MAPbCl2.4Br0.6太阳能电池的光学照片；
(f)不同组成的卤化物钙钛矿材料的吸收光谱；
(g)透明钙钛矿太阳能电池的结构示意图；
(h)AgNW/p-NiO/n-TiO2/FTO全无机氧化物电池中使用的氧化物的透过率曲线及光学照片（内嵌图）；
(i)氧化物透明太阳能电池和嵌入Si之后的光学照片；
(j)氧化物透明太阳能电池和(k)嵌入Si后的透明太阳能电池的结构示意图；
(l)氧化物透明太阳能电池的透过率和视觉响应曲线；
UV/NIR选择性吸收技术适用于薄膜太阳能电池，包括有机太阳能电池、染料敏化太阳能电池、钙钛矿太阳能电池和半导体氧化物太阳能电池。表1总结了几种典型的UV/NIR吸收型透明太阳能电池的材料以及性能参数。从透明太阳能电池的光电转化效率来看，有机太阳能电池的光电转化效率普遍较高，其次是染料敏化太阳能电池，而钙钛矿太阳能电池和半导体氧化物电池的光电转化效率较低，这主要是由于紫外光占太阳光的比例较少，可利用的太阳能比较少。从太阳能电池的透过率来看，钙钛矿、染料敏化和半导体氧化物太阳能电池的透过率较高。如果能够有效的调控有机太阳能电池的电子给体和受体之间的能带匹配，可以将吸收波长同时覆盖紫外和近红外区域，透过率在nm处可达66%。除了电池材料本身外，电极材料、电荷传输材料以及膜层界面对于透过率都有很大的影响。
表1UV/NIR吸收型透明太阳能电池的性能参数
2.3LSC技术
LSC型透明光伏是近几年兴起的一种新型技术，其结构是在一块透明基底中嵌入荧光材料，不透明的光伏组件固定在基底的边缘位置。其工作原理是荧光分子吸收紫外或者近红外后发射的光经过全反射传送到光伏组件，从而将光转换成电能。Lunt等使用COi8DFIC作为荧光分子，PBMMA作为透明聚合物，GaAs作为光伏材料，所制备的透明光伏的可见过透过率是74%，光电转化效率是1.24%（图8(a)）。为了增加荧光材料的吸光效率，Klimov等制备了基于量子点的串联LSC，如图8(b-c)所示，采用两种荧光材料分别吸收不同波段的太阳光，上层的LSC吸收紫外光，下层的LSC吸收近红外光，增加了太阳光的吸收，从而提高了光电转化效率，而且透明光伏的面积超过cm2，光电转化效率最高是3.1%。Yang等将吸收UV的纳米团簇和吸收NIR的有机分子结合到一个LSC系统中，制备的透明太阳能电池的光电转化效率高于3%，透过率高于75%。
图8(a)NIR吸收LSC示意图（上）和相应的透明太阳能电池（下）；
(b)串联LSC的工作原理图；(c)GaAs太阳能电池（蓝色）、上层LSC（橙色）、下层LSC（棕色）以及串联LSC（黑色）的GaAs透明太阳能电池的J-V曲线；
理想的LSC型透明太阳能电池需要满足以下条件：（1）荧光材料吸收%的UV/NIR光谱；（2）荧光量子效率是%；（3）荧光材料发射的光能够毫无损失的到达侧面的太阳能电池上；（4）光伏材料的转化效率接近SQ极限（33.1%）；（5）透明聚合物基底没有任何光损耗。表2总结了LSC技术制备的透明太阳能电池的性能。由于目前技术的限制，LSC技术制备的透明太阳能电池的光电转化效率远低于其他技术，但透过率较高，且易于大面积制备。从实际用途来看，LSC型透明太阳能电池的大面积平板结构可用来替代建筑材料，用作建筑物的窗户和玻璃幕墙，较高的透过率不影响采光，同时为建筑物供电，从而实现建筑光伏一体化。