窗戶(hù)作為最重要的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)建筑能耗具有重要影響。美國(guó)能源部的研究表明超過(guò)30%的建筑物制冷和采暖能量都通過(guò)低性能窗戶(hù)而損失。美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究人員預(yù)計(jì)39%的建筑物熱能損失和28%的冷量損失都來(lái)自窗戶(hù)系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，如果將全美的商業(yè)建筑窗戶(hù)全部更換為典型的low-e雙層窗，則可以減少62%的空調(diào)制冷能耗。由此可見(jiàn)，開(kāi)發(fā)高能效窗戶(hù)產(chǎn)品以取代現(xiàn)有的低性能窗戶(hù)具有非常大的建筑節(jié)能潛力。
隨著光伏技術(shù)的不斷進(jìn)步和光伏產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，近年來(lái)建筑一體化半透明光伏窗（簡(jiǎn)稱(chēng)光伏窗或“光伏發(fā)電玻璃”）吸引了越來(lái)越多的研究人員和生產(chǎn)廠家的高度關(guān)注，圖1展示了一些典型的半透明光伏窗應(yīng)用案例。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，光伏窗是指使用由雙層玻璃封裝的半透明光伏組件來(lái)取代傳統(tǒng)玻璃而構(gòu)成的窗戶(hù)系統(tǒng)，圖2給出了常見(jiàn)晶體硅和薄膜半透明光伏組件的組成結(jié)構(gòu)。光伏窗不透明（或半透明）的電池部分可以通過(guò)光伏效應(yīng)發(fā)電，而透明（或半透明）部分則可以實(shí)現(xiàn)自然采光以及室內(nèi)外的視覺(jué)交流。與其他先進(jìn)窗戶(hù)技術(shù)相比，光伏窗的最大特點(diǎn)是可以通過(guò)光伏作用主動(dòng)將一部分太陽(yáng)輻射轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏玫碾娔埽c此同時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)光伏窗的透過(guò)率實(shí)現(xiàn)控制太陽(yáng)輻射得熱和眩光的目的。
圖1典型的半透明光伏窗應(yīng)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(jiàn)晶體硅和薄膜半透明光伏組件結(jié)構(gòu)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(fā)電量要比傳統(tǒng)的以最佳傾斜角安裝的光伏系統(tǒng)的發(fā)電量低，但是光伏窗除了可以發(fā)電外，更重要的是具有很好的建筑節(jié)能效果。一方面，它可以通過(guò)減少室內(nèi)太陽(yáng)得熱而降低空調(diào)制冷能耗。另一方面，合理設(shè)計(jì)的光伏窗還可以最大程度地利用自然采光并改善視覺(jué)不舒適性。
綜上所述，一個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)的光伏窗不僅可以發(fā)電，還可以通過(guò)降低太陽(yáng)得熱量和調(diào)控入射太陽(yáng)輻射從而減少建筑物空調(diào)能耗、改善自然采光效果和提高視覺(jué)舒適性。筆者在香港和美國(guó)舊金山地區(qū)的研究結(jié)果表明，光伏窗所帶來(lái)的能量收益中只有1/3是來(lái)自于發(fā)電，另外2/3的收益來(lái)自于空調(diào)節(jié)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(jié)能提供了一個(gè)非常好的建筑節(jié)能解決方案。
目前，主要有3種常見(jiàn)的半透明光伏組件技術(shù)。第一種技術(shù)主要針對(duì)薄膜光伏組件，如圖3（a）所示，沉積在透明導(dǎo)電玻璃上的非晶硅薄膜非常薄以至于電池本身可以透過(guò)部分可見(jiàn)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(guò)率太低（通常只有5%左右），并且太陽(yáng)光經(jīng)過(guò)組件選擇性吸收之后透過(guò)的光呈橘黃色，因此其采光和視覺(jué)效果均比較差。另外，由于電池本身透過(guò)了一部分可見(jiàn)光，因此組件的能量轉(zhuǎn)換效率也比較低。第二種半透明技術(shù)同樣是針對(duì)薄膜光伏組件的，如圖3（b）所示，首先將薄膜太陽(yáng)能電池，如非晶硅電池或碲化鎘電池，均勻沉積在透明導(dǎo)電玻璃上，然后根據(jù)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(cuò)相間的半透明結(jié)構(gòu)。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(yáng)光主要從透明玻璃部分透過(guò)半透明光伏組件，因此透過(guò)的光與入射太陽(yáng)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(shù)生產(chǎn)的半透明薄膜光伏組件具有更高的能量轉(zhuǎn)換效率，并且其透過(guò)率可以根據(jù)自然采光要求進(jìn)行定制。通常情況下，透過(guò)率在30%-50%范圍可以基本滿(mǎn)足房間的自然采光需求。另外，由圖3（a）和3（b）對(duì)比可見(jiàn)，采用第二種技術(shù)生產(chǎn)的半透明組件明顯具有更好的采光和視覺(jué)舒適效果。第三種生產(chǎn)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(jìn)行均勻排列和串并聯(lián)，然后置于雙層玻璃和PVB（或EVA）層中進(jìn)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(lài)于電池片之間的間隙。與前面兩種生產(chǎn)工藝相比，第三種工藝生產(chǎn)的半透明組件以高效晶體硅電池為基礎(chǔ)，因此具有最高的能量轉(zhuǎn)換效率，但是也存在一些致命缺點(diǎn)。如圖3（c）所示，首先，大塊的不透明晶體硅電池（156mm×156mm）會(huì)在室內(nèi)產(chǎn)生明暗相間的陰影，強(qiáng)烈的明暗對(duì)比會(huì)讓住戶(hù)產(chǎn)生不舒適的采光和視覺(jué)感受；其次，晶體硅電池會(huì)遮擋用戶(hù)視線，影響用戶(hù)與外界的視覺(jué)交流；再次，采用該技術(shù)生產(chǎn)的晶體硅半透明光伏窗美觀度欠佳，無(wú)論是建筑師還是用戶(hù)對(duì)其接受程度都不高。
圖3三種常見(jiàn)工藝生產(chǎn)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(chǎn)的薄膜半透明組件（c）傳統(tǒng)晶體硅半透明組件
從以上分析可知，目前常見(jiàn)的3種半透明光伏組件生產(chǎn)工藝均存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)，影響了半透明光伏窗的大規(guī)模應(yīng)用。因此，在吸收現(xiàn)有各種技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，美國(guó)Solaria公司和美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室合作開(kāi)發(fā)了一款基于晶體硅太陽(yáng)能電池的新型半透明光伏窗。該半透明光伏窗主要通過(guò)采用激光將晶體硅電池片切割成電池細(xì)帶，然后將細(xì)帶以一定間隔進(jìn)行均勻排列再進(jìn)行自動(dòng)焊接，最后采用雙層玻璃層壓而成。圖4給出了采用該技術(shù)生產(chǎn)的半透明組件的示意圖。該半透明光伏窗很好的結(jié)合了已有半透明光伏技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，在50%透過(guò)率的前提下，其組件發(fā)電效率可達(dá)到8.8%（如果組件的透過(guò)率進(jìn)一步降低，則組件的發(fā)電效率會(huì)相應(yīng)提高），因此既具備傳統(tǒng)晶體硅光伏窗能量轉(zhuǎn)換效率高的特點(diǎn)又具有薄膜半透明光伏窗自然采光性能好的優(yōu)點(diǎn)，有望成為一種重要的半透明光伏窗技術(shù)。此外，國(guó)內(nèi)很多薄膜太陽(yáng)能生產(chǎn)廠商也正致力于將最先進(jìn)的薄膜技術(shù)，如銅銦鎵硒，應(yīng)用在光伏窗上，從能量轉(zhuǎn)換效率和視覺(jué)舒適性?xún)蓚€(gè)方面來(lái)進(jìn)一步改善產(chǎn)品性能，相信很快會(huì)有更多更好的半透明光伏窗產(chǎn)品問(wèn)世。此外，一些新興的太陽(yáng)能電池技術(shù)，如鈣鈦礦和有機(jī)太陽(yáng)能電池，均可以做成半透明組件結(jié)構(gòu)，這為半透明光伏組件技術(shù)的發(fā)展增添了新的活力。
