窗戶作為最重要的建筑圍護結構對建筑能耗具有重要影響。美國能源部的研究表明超過30%的建筑物制冷和采暖能量都通過低性能窗戶而損失。美國勞倫斯伯克利國家實驗室研究人員預計39%的建筑物熱能損失和28%的冷量損失都來自窗戶系統。據統計，如果將全美的商業建筑窗戶全部更換為典型的low-e雙層窗，則可以減少62%的空調制冷能耗。由此可見，開發高能效窗戶產品以取代現有的低性能窗戶具有非常大的建筑節能潛力。
隨著光伏技術的不斷進步和光伏產業的迅猛發展，近年來建筑一體化半透明光伏窗（簡稱光伏窗或“光伏發電玻璃”）吸引了越來越多的研究人員和生產廠家的高度關注，圖1展示了一些典型的半透明光伏窗應用案例。簡單來說，光伏窗是指使用由雙層玻璃封裝的半透明光伏組件來取代傳統玻璃而構成的窗戶系統，圖2給出了常見晶體硅和薄膜半透明光伏組件的組成結構。光伏窗不透明（或半透明）的電池部分可以通過光伏效應發電，而透明（或半透明）部分則可以實現自然采光以及室內外的視覺交流。與其他先進窗戶技術相比，光伏窗的最大特點是可以通過光伏作用主動將一部分太陽輻射轉變為有用的電能，與此同時通過調節光伏窗的透過率實現控制太陽輻射得熱和眩光的目的。
圖1典型的半透明光伏窗應用案例
（a,漢能總部大樓非晶硅半透明光伏幕墻；b,晶體硅半透明光伏窗；c,onyx S非晶硅半透明光伏幕墻；d,晶體硅半透明光伏窗）
圖2常見晶體硅和薄膜半透明光伏組件結構示意圖
（a,晶體硅半透明組件；b,薄膜半透明組件）
在安裝角度和透光需求等不利因素影響下，雖然單位面積的光伏窗的發電量要比傳統的以最佳傾斜角安裝的光伏系統的發電量低，但是光伏窗除了可以發電外，更重要的是具有很好的建筑節能效果。一方面，它可以通過減少室內太陽得熱而降低空調制冷能耗。另一方面，合理設計的光伏窗還可以最大程度地利用自然采光并改善視覺不舒適性。
綜上所述，一個優化設計的光伏窗不僅可以發電，還可以通過降低太陽得熱量和調控入射太陽輻射從而減少建筑物空調能耗、改善自然采光效果和提高視覺舒適性。筆者在香港和美國舊金山地區的研究結果表明，光伏窗所帶來的能量收益中只有1/3是來自于發電，另外2/3的收益來自于空調節能。因此，光伏窗為零能耗建筑以及具有大的窗墻比的高層辦公建筑節能提供了一個非常好的建筑節能解決方案。
目前，主要有3種常見的半透明光伏組件技術。第一種技術主要針對薄膜光伏組件，如圖3（a）所示，沉積在透明導電玻璃上的非晶硅薄膜非常薄以至于電池本身可以透過部分可見光。這種半透明光伏組件由于電池本身可以透光因此具有非常好的均勻性，但是由于其透過率太低（通常只有5%左右），并且太陽光經過組件選擇性吸收之后透過的光呈橘黃色，因此其采光和視覺效果均比較差。另外，由于電池本身透過了一部分可見光，因此組件的能量轉換效率也比較低。第二種半透明技術同樣是針對薄膜光伏組件的，如圖3（b）所示，首先將薄膜太陽能電池，如非晶硅電池或碲化鎘電池，均勻沉積在透明導電玻璃上，然后根據自然采光需求利用激光選擇性地將部分電池刻蝕掉從而形成電池與透明玻璃交錯相間的半透明結構。與第一種工藝不同的是，第二種工藝中薄膜電池本身是不透光的，太陽光主要從透明玻璃部分透過半透明光伏組件，因此透過的光與入射太陽光的光譜基本一致，均為白色光。與第一種電池本身半透明的組件相比，采用第二種技術生產的半透明薄膜光伏組件具有更高的能量轉換效率，并且其透過率可以根據自然采光要求進行定制。通常情況下，透過率在30%-50%范圍可以基本滿足房間的自然采光需求。另外，由圖3（a）和3（b）對比可見，采用第二種技術生產的半透明組件明顯具有更好的采光和視覺舒適效果。第三種生產工藝主要適用于晶體硅電池。首先將晶體硅電池片按照一定間距進行均勻排列和串并聯，然后置于雙層玻璃和PVB（或EVA）層中進行熱層壓而生成。由于晶體硅電池本身是不透明的，因此該半透明組件的透明效果全依賴于電池片之間的間隙。與前面兩種生產工藝相比，第三種工藝生產的半透明組件以高效晶體硅電池為基礎，因此具有最高的能量轉換效率，但是也存在一些致命缺點。如圖3（c）所示，首先，大塊的不透明晶體硅電池（156mm×156mm）會在室內產生明暗相間的陰影，強烈的明暗對比會讓住戶產生不舒適的采光和視覺感受；其次，晶體硅電池會遮擋用戶視線，影響用戶與外界的視覺交流；再次，采用該技術生產的晶體硅半透明光伏窗美觀度欠佳，無論是建筑師還是用戶對其接受程度都不高。
圖3三種常見工藝生產的半透明光伏組件：（a）電池本身透光的非晶硅半透明組件（b）激光刻蝕生產的薄膜半透明組件（c）傳統晶體硅半透明組件
從以上分析可知，目前常見的3種半透明光伏組件生產工藝均存在各自的優缺點，影響了半透明光伏窗的大規模應用。因此，在吸收現有各種技術優點的基礎上，美國Solaria公司和美國勞倫斯伯克利國家實驗室合作開發了一款基于晶體硅太陽能電池的新型半透明光伏窗。該半透明光伏窗主要通過采用激光將晶體硅電池片切割成電池細帶，然后將細帶以一定間隔進行均勻排列再進行自動焊接，最后采用雙層玻璃層壓而成。圖4給出了采用該技術生產的半透明組件的示意圖。該半透明光伏窗很好的結合了已有半透明光伏技術的優點，在50%透過率的前提下，其組件發電效率可達到8.8%（如果組件的透過率進一步降低，則組件的發電效率會相應提高），因此既具備傳統晶體硅光伏窗能量轉換效率高的特點又具有薄膜半透明光伏窗自然采光性能好的優點，有望成為一種重要的半透明光伏窗技術。此外，國內很多薄膜太陽能生產廠商也正致力于將最先進的薄膜技術，如銅銦鎵硒，應用在光伏窗上，從能量轉換效率和視覺舒適性兩個方面來進一步改善產品性能，相信很快會有更多更好的半透明光伏窗產品問世。此外，一些新興的太陽能電池技術，如鈣鈦礦和有機太陽能電池，均可以做成半透明組件結構，這為半透明光伏組件技術的發展增添了新的活力。
