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彩色光伏最新研究：准有序光子颜料，打破美观与高效的二选一
发布时间：
2026-05-30 00:00
彩色光伏最新研究：准有序光子颜料，打破美观与高效的二选一
提到太阳能电池板，人们脑海中浮现的通常是深蓝色或黑色的“科技色”。虽然效率可观，但这种单调的外观在建筑设计中常常难以融入，也限制了光伏技术在城市的推广应用。来自上海交通大学、香港理工大学等机构研究团队的研究《太阳能光伏的准有序光子颜料结构着色》，从鸟类的蓝色羽毛中汲取灵感，开发出一种准有序光子颜料，成功实现了高效、可调的彩色光伏组件。研究背景：你可能观察过蓝色羽毛的鸟类，比如松鸦。它们的羽毛并非通过色素显色，而是依赖一种精妙的微观结构：海绵状的角蛋白-空气网络，加上底层的黑色素层。这种结构能选择性散射蓝光，同时吸收其他光，从而呈现出明亮且不随角度变化的蓝色。研究团队借鉴了这一自然设计，将光伏组件也构建为类似的三层结构：玻璃盖板相当于羽毛的皮质层，结构着色层由准有序光子颜料构成、模拟羽毛的海绵层，而高效黑色太阳能电池则代替黑色素层、吸收未被散射的光。这种设计的核心优势在于将光散射与光吸收解耦，既保留了光伏电池的高吸收特性，又实现了对可见光的选择性反射，从而呈现出鲜明且自然的颜色。
仿生的彩色光伏模块光学设计（A和B）示意图显示（A）欧亚松鸦蓝羽倒钩的横截面结构27以及（B）彩色光伏模块。该彩色光伏模块采用拟有序光子结构以选择性散射可见光，具有与蓝色鸟羽相同的光学结构。（C） 通过不同光学性质的着色层所制得的彩色光伏模块的模拟外部量子效率（EQE）。它们都呈鸽子蓝色（RAL 5014）。（D） 在使用不同着色层进行光伏模块着色时，模拟的PCE损耗率。研究成果：研究团队开发了一种名为二氧化硅-聚丙烯酸酯结构色颜料的新型材料。该颜料由单分散二氧化硅微球自组装形成准有序结构，再用聚丙烯酸酯固化稳定，最后经机械研磨制成。
SPSC颜料的表征（A） SPSC颜料的SEM图像，分别为200×、5k×和50k×倍率。颜料颗粒形状和大小各异，由规则排列的单分散硅微球和聚丙烯酸盐连接微球形成。（B）SPSC颜料在透明树脂中分散的照片。插图：白色干颜料粉。（C和D）（C）傅里叶变换红外光谱法，（D）SPSC颜料的热重分析，并比较纯二氧化硅微球。（E）色素表面的SEM图像。（F和G）（F）小角X射线散射图样，以及（G）方位X射线强度，随散射矢量（q）变化，均由SPSC颜料制成的蓝色胶片获得。比例杆，0.05纳米−1.这种颜料的制备过程看似简单，却蕴含着精巧的光学设计：通过改变微球尺寸或填充树脂的折射率，可以精准调控反射峰的位置，实现从蓝色到绿色甚至灰白色的连续色域；由于结构本身的长程无序，颜色在不同角度下保持一致，避免了眩光和彩虹效应；同时，颜料对近红外光具有高透过率，不会干扰光伏电池对红外光的吸收。更重要的是，这种颜料可通过印刷、涂布等方式集成到现有光伏制造流程中，具备良好的规模化潜力。
根据微球大小和丙烯酸酯折射率改变结构色（A）由不同直径d的硅微球和不同类型的丙烯酸酯（包括乙氧基丙烷三丙烯酸酯（ETPTA）、2-苯氧乙基丙烯酸酯（PEA）和O-苯基苯氧乙基丙烯酸酯（OPPEA）所制备的SPSC颜料暗场光学显微镜图像。当色素浸渍在ETPTA中时可见。比例杆，100微米。（B和C）（B）由不同SPSC颜料组成的胶片照片及其（C）光谱反射率，显示不同的反射强度和特征反射峰。BIPV应用潜力：研究团队将这种颜料应用于光伏电池，制备出一系列彩色光伏组件。实验结果显示，在建筑立面应用场景中，通过拓展可安装面积，年发电量可提升33%至54%。更令人振奋的是，在高层建筑中，若将彩色光伏应用于屋顶与四个立面，发电量提升可达200%以上。这些数据表明，彩色光伏不仅是“颜值担当”，更具备实实在在的能源产出能力。
BIPV应用潜力（A）照片显示黑色、浅蓝色、浅青色和灰白色光伏模块，颜色来源于印刷在玻璃盖背面的SPSC颜料。比例杆，5厘米。（B）光伏模组的电流-电压曲线。内嵌：一张列出短路电流（I ）SC开路电压（V）原创角色），最大功率（Pm）、填充因子（FF）和PCE（η）。（C）屋顶上的BAPV系统及不同屋顶及不同立面的彩色BIPV系统的年能产，并对屋顶BAPV系统的数值进行归一化。（D）两种不同建筑光伏系统的示例，作为模拟案例。（E）全球10个大城市中，两栋不同建筑中层公寓楼的年能源产能比较。这项研究展示了一种兼具美学、效率与可扩展性的光伏着色技术。通过模仿自然界的光学结构，研究团队成功突破了传统颜料在光伏着色中的性能瓶颈，为建筑光伏一体化、车辆光伏集成等场景提供了全新的解决方案。随着材料体系的进一步优化和产业化推进，我们有望在不远的将来，看到更多融入城市风貌的“隐形”光伏——它们不再突兀，却默默为建筑供能。
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