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CN117836956A - 用于农业光伏的透明太阳能面板 - Google Patents

用于农业光伏的透明太阳能面板 Download PDF

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CN117836956A
CN117836956A CN202280054953.9A CN202280054953A CN117836956A CN 117836956 A CN117836956 A CN 117836956A CN 202280054953 A CN202280054953 A CN 202280054953A CN 117836956 A CN117836956 A CN 117836956A
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solar panel
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transparent solar
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理查德·R·伦特三世
克里斯托弗·赫雷拉
埃里克·J·斯托尔克内克特
托马斯·D·夏基
埃里克·S·朗克尔
马修·巴泰斯
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Michigan State University MSU
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Michigan State University MSU
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Abstract

透明太阳能面板包括透明基板和透明光活性材料。整个透明太阳能面板的平均光合透射率(APT)大于或等于约45％。透明太阳能面板被配置成以大于或等于约10mol·m‑2·d‑1的日光积累量(DLI)将光透射至包含植物的区域。透明太阳能面板可以是透明光伏(TPV)或透明发光太阳能集中器(TLSC)。

Description

用于农业光伏的透明太阳能面板
相关申请的交叉引用
本申请要求于2021年8月6日提交的美国临时申请第63/230,319号的权益。以上申请的全部公开内容通过引用并入本文中。
政府权力
本发明是在由国家科学基金会(National Science Foundation)授予的1702591的政府支持下完成的。政府享有本发明中的某些权利。
技术领域
本公开内容涉及用在光合生物体例如植物上方的透明太阳能面板，该透明太阳能面板包括透明光伏(Transparent Photovoltaics，TPV)和透明发光太阳能集中器(Transparent Luminescent Solar Concentrator，TLSC)。
背景技术
本部分提供了与本公开内容相关的背景技术信息，该背景技术信息不一定是现有技术。
将建筑物集成光伏(Building-integrated Photovoltaic，BIPV)与农业结合提供了用于解决增加的食物无保障和能量需求两者的实际解决方案。农业光伏利用阳光用于植物生产和太阳能收集两者。这两个领域通常被视为竞争性而非协作性的，因为它们都会占据大面积的土地以使阳光利用增加或最大化。尽管如此，光伏与温室和开放田地农业作物生产具有潜在的协同益处。
发明内容
本部分提供了本公开内容的总体概述，并且不是本公开内容的全部范围或本公开内容的所有特征的全面公开。
在至少一个示例实施方式中，当前技术提供了一种透明太阳能面板。透明太阳能面板包括透明光伏(TPV)或透明发光太阳能集中器(TLSC)。TPV或TLSC被配置成基于波长来选择性地吸收和透射光。TPV或TLSC被配置成放置在一个或更多个光合生物体(例如植物)与光源(例如太阳)之间。
至少一个示例实施方式涉及一种透明太阳能面板。
在至少一个示例实施方式中，透明太阳能面板包括透明基板和透明光活性材料。整个透明太阳能面板的平均光合透射率(APT)大于或等于约45％。透明太阳能面板被配置成以大于或等于约10mol m-2d-1的日光积累量(DLI)将光透射至包含植物的区域。
在至少一个示例实施方式中，透明太阳能面板是透明光伏(TPV)。TPV包括第一透明电极、透明光活性材料和第二透明电极。第一透明电极在透明基板上。透明光活性材料在第一透明电极与第二透明电极之间。
在至少一个示例实施方式中，透明太阳能面板是透明发光太阳能集中器(TLSC)。TLSC包括透明基板、发光体和光伏装置。透明基板包括第一表面、与第一表面相对的第二表面和边缘表面。发光体被配置成吸收第一波长范围内的光并发射第二波长范围内的光。发光体：(i)嵌入透明基板中，(ii)在第一表面上、第二表面上或第一表面和第二表面两者上的层中，或者(iii)(i)和(ii)两者。光伏装置耦接至边缘表面。光伏装置被配置成吸收第二波长范围内的光。在至少一个示例实施方式中，透明太阳能面板具有大于或等于约65％的APT。
在至少一个示例实施方式中，透明太阳能面板被配置成以大于或等于约12mol·m-2·d-1的扩展日光积累量(eDLI)将光透射至区域。
在至少一个示例实施方式中，透明太阳能面板被配置成以大于或等于约9mol·m-2·d-1的有效光子通量密度(YPFD)将光透射至区域。
在至少一个示例实施方式中，透明光活性材料具有小于约450nm或大于约725nm的峰值吸光度。
在至少一个示例实施方式中，透明光活性材料具有700nm的截止波长。
在至少一个示例实施方式中，整个透明太阳能面板对470nm的波长的光是大于或等于约65％透明的。
在至少一个示例实施方式中，整个透明太阳能面板对530nm的波长的光是大于或等于约65％透明的。
在至少一个示例实施方式中，整个透明太阳能面板对500nm至550nm的所有波长的光是大于或等于约65％透明的。
在至少一个示例实施方式中，整个透明太阳能面板对620nm的波长的光是大于或等于约65％透明的。
在至少一个示例实施方式中，整个透明太阳能面板对550nm至650nm的所有波长的光是大于或等于约65％透明的。
在至少一个示例实施方式中，透明太阳能面板具有小于或等于约0.5的太阳能得热系数(SHGC)。
在至少一个示例实施方式中，透明太阳能面板具有大于或等于约0.9％的功率转换效率(PCE)。
在至少一个示例实施方式中，透明太阳能面板的光利用效率(LUE*)是透明太阳能面板的功率转换效率(PCE)与透明太阳能面板的平均光合透射率(APT)的乘积。LUE*大于或等于约1％。
在至少一个示例实施方式中，透明太阳能面板是双面的。
在至少一个示例实施方式中，太阳能面板还包括框架。框架至少部分地包围透明基板。框架的颜色具有R、G、B十进制码。R大于或等于约150至小于或等于约255。G大于或等于约150至小于或等于约255。B大于或等于约150至小于或等于约255。
至少一个示例实施方式涉及一种农业田地阵列。
在至少一个示例实施方式中，农业田地阵列包括支撑结构和透明太阳能面板。透明太阳能面板耦接至支撑结构。
至少一个示例实施方式涉及一种结构。
在至少一个示例实施方式中，结构包括侧壁和顶部。侧壁和顶部中的至少一个包括透明太阳能面板。结构完全封闭。
至少一个示例实施方式涉及一种农业组件。农业组件包括一件或多件农业设备和透明太阳能面板。透明太阳能面板耦接至所述一件或多件设备。
在至少一个示例实施方式中，农业设备选自灌溉系统、肥料系统、播种系统、收集系统、CO2富集系统或它们的组合。
至少一个示例实施方式涉及一种农业田地阵列。农业田地阵列包括多个透明太阳能面板和支撑结构。多个透明太阳能面板中的每个透明太阳能面板包括透明基板和透明光活性材料。支撑结构支撑多个透明太阳能面板，所述多个透明太阳能面板被配置成将光透射至包含植物的田地区域。多个透明太阳能面板中的每个透明太阳能面板的平均光合透射率(APT)大于或等于约45％。
在至少一个示例实施方式中，多个透明太阳能面板限定线性阵列。
在至少一个示例实施方式中，透明基板限定平面第一表面。平面第一表面与田地区域的第二表面之间的角度是固定的。
在至少一个示例实施方式中，角度为约90°。
在至少一个示例实施方式中，角度为约0°。
在至少一个示例实施方式中，角度在农业田地阵列被设置的纬度的约5°内。
在至少一个示例实施方式中，透明基板限定平面第一表面。平面第一表面与田地区域的第二表面之间的角度是能够调节的。角度被配置成跟踪太阳的位置。
在至少一个示例实施方式中，农业田地阵列限定在限定田地区域的表面与多个透明太阳能面板的最近边缘之间的大于或等于约4.5m的高度。
在至少一个示例实施方式中，农业田地阵列还包括多个支撑结构，所述多个支撑结构包括支撑结构。多个支撑结构中的每个支撑结构包括多个透明太阳能面板的一部分。多个支撑结构中的每个支撑结构与多个支撑结构中的其他支撑结构间隔开大于或等于约10英尺至小于或等于约100英尺的距离。
在至少一个示例实施方式中，多个透明太阳能面板中的每个透明太阳能面板间隔开大于或等于约2mm至小于或等于约10cm的距离。
至少一个示例实施方式涉及一种光伏(PV)和灌溉系统。
在至少一个示例实施方式中，PV和灌溉系统包括透明太阳能面板、支撑结构、电气布线和管道。透明太阳能面板包括透明基板和波长选择性透明光活性材料。支撑结构支撑透明太阳能面板，该透明太阳能面板被配置成将光透射至包含植物的田地区域。支撑结构限定内部区域。电气布线至少部分地在内部区域内。管道耦接至支撑结构。管道限定导管，该导管被配置成将水从水源转移至植物。
在至少一个示例实施方式中，支撑结构包括内部区域中的分隔件。分隔件将内部区域划分成第一部分和第二部分。电气布线至少部分地在第一部分内。管道至少部分地在第二部分内。
至少一个示例实施方式涉及一种光伏发电的方法。
在至少一个示例实施方式中，方法包括安装波长选择性透明太阳能面板，使得波长选择性透明太阳能面板将第一波长范围内的光透射至包含光合生物体的区域。方法还包括通过吸收第二波长范围内的光来产生电力。
在至少一个示例实施方式中，光合生物体是植物。在由波长选择性透明太阳能面板透射的第一波长范围内的光下生长的植物的作物产量与在其他方面相同条件下在全光谱光下生长的植物相比降低小于或等于25％。
在至少一个示例实施方式中，植物是结果植物。整个透明太阳能面板的平均光合透射率(APT)大于或等于约65％。波长选择性透明太阳能面板被配置成以15mol·m-2·d-1的日光积累量透射光。
在至少一个示例实施方式中，植物是多叶植物或谷物植物。整个透明太阳能面板的平均光合透射率(APT)大于或等于约45％。波长选择性透明太阳能面板被配置成以10mol·m-2·d-1的日光积累量透射光。
在至少一个示例实施方式中，方法还包括：在安装之前，基于纬度来确定在透明太阳能面板的第一表面与区域的第二表面之间限定的固定角度。
在至少一个示例实施方式中，上述安装步骤包括安装包括所述透明太阳能面板在内的多个透明太阳能面板。方法还包括基于在中午至点期间阴影的减少或最小化、邻近的透明太阳能面板之间的水渗透或它们的组合来确定多个透明太阳能面板之间的间隔。
在至少一个示例实施方式中，区域包括土地。
在至少一个示例实施方式中，区域包括水。
至少一个示例实施方式涉及一种制造用在包含植物的区域中的透明太阳能面板的方法。
在至少一个示例实施方式中，方法包括确定日光积累量(DLI)以实现植物的期望特性。方法还包括选择与DLI兼容的光活性材料。方法还包括构造包括光活性材料的透明太阳能面板。透明太阳能面板被配置成将光透射至包含植物的区域。
在至少一个示例实施方式中，方法还包括：在构造之前，选择透明太阳能面板的材料以实现期望的太阳能得热系数(SHGC)。
在至少一个示例实施方式中，透明太阳能面板是透明发光太阳能集中器(TLSC)，并且光活性材料是发光体。方法还包括确定与DLI兼容的发光体的浓度。
在至少一个示例实施方式中，透明太阳能面板是透明光伏(TPV)。方法还包括确定活性层、整个TPV或活性层和TPV两者的厚度，使得厚度与DLI兼容。
根据本文中提供的描述，其他适用领域将变得明显。本发明内容中的描述和具体示例仅旨在用于说明的目的，而不旨在限制本公开内容的范围。
附图说明
本文中描述的附图仅用于对所选择的实施方式而非所有可能的实现方式的说明性目的，并且不旨在限制本公开内容的范围。
图1A是描绘根据至少一个示例实施方式的作为波长(nm)的函数的太阳能光子通量和相对植物作用的图。
图1B是根据至少一个示例实施方式的太阳能集中器面板调制到植物的中性密度和波长选择性透射的设计的示意图。至少该示例实施方式的焦点是观察作为VIS和近红外波段以及使用中性密度处理的整体透射的截止的函数的植物生长和生产率。水平线表示利用可以向上或向下移位的中性密度吸收分布来使DLI移位。竖直线表示将波长选择性吸收分布向左/向右移位，其可以替选地使DLI移位。一旦选择性吸收移位至足够远的IR中，它就不再使DLI移位。
图2是根据至少一个示例实施方式的透明光伏(TPV)的示意图。
图3A至图3B是根据至少一个示例实施方式的透明发光太阳能集中器(TLSC)的示意图。图3A描绘了TLSC。图3B示出了根据至少一个示例实施方式的与图3A的TLSC交互的光。
图4是根据至少一个示例实施方式的包括透明太阳能面板的封闭结构的示意图，所述结构包括用于种植光合生物体例如植物的内部区域。
图5A至图5B是根据至少一个示例实施方式的在土地或水中在光合生物体例如植物上方配置平坦的透明太阳能面板的示意图。图5A是固定角度水平阵列的正面顶部透视图。图5B是图5A的固定角度水平阵列的侧视示意图。
图6A至图6B是根据至少一个示例实施方式的在土地或水中在光合生物体例如植物上方配置固定角度透明太阳能面板的示意图。图6A是固定角度阵列的正面视图。图6B是图6A的固定角度阵列的侧视示意图。
图7A至图7B是根据至少一个示例实施方式的在土地或水中在光合生物体例如植物上方配置固定角度、单柱支撑的透明太阳能面板的示意图。图7A是多个柱组件的正面视图。图7B是图7A的柱组件中的单个柱的侧视示意图。
图8A至图8B是根据至少一个示例实施方式的在土地或水中在光合生物体例如植物上方配置固定角度竖直透明太阳能面板的示意图。图8A是竖直柱组件的正面视图。图8B是图8A的竖直柱组件的侧视示意图。
图9A至图9B是根据至少一个示例实施方式的在土地或水中在光合生物体例如植物上方配置三轴跟踪透明太阳能面板组件的示意图。图9A描绘了处于第一取向的组件。图9B描绘了处于不同于第一取向的第二取向的图9A的组件。
图10是根据至少一个示例实施方式的收集太阳能反射能的双面透明太阳能阵列地面安装件的示意图。
图11A至图11B是与灌溉(喷射)系统集成的透明太阳能阵列的示意图。图11A是所述系统的透视图。图11B是图11A的系统的支撑件的详细视图。
图12是根据至少一个示例实施方式的用于太阳能阵列和灌溉系统的支撑结构的截面图。
图13是示出根据至少一个示例实施方式的光伏发电方法的流程图。
图14是示出提供了设计和制造透明太阳能面板的方法的流程图。
图15是根据至少一个示例实施方式的各种农业光伏方法的进展和外观的示意图。
图16A至图16B涉及根据至少示例1的实施方式的实验室设计和尺寸。图16A是示出实验室尺寸的示意图。图16B是示出温室取向的示意图。
图17A至图17C是根据根据至少示例1的实施方式的温室内的窗玻璃材料和室的视觉表示。图17A是示出所使用的不同材料的示意图。“ND”代表中性密度分布，以及“CO”代表波长选择性截止。ND91(91％透射，无色)、ND58(58％透射，浅灰色)和ND33(33％透射，深灰色)是具有不同PPFD透射的丙烯酸片材。CO770(无色)、CO700(浅蓝色)和CO550b(深蓝色)是具有不同透射截止的实验波长选择性光活性层(例如TLSC)。CO550a(粉红色/红色)面板包含吸收蓝色光子和绿色光子并发出荧光的红色光子和远红外光子的荧光团染料。图17B是示出密歇根州立大学研究温室内的顶部覆有各种实验窗玻璃材料的实验室的照片。
图18A至图18C是描绘根据至少示例1的实施方式的各种波长选择性(也称为光选择性)和中性吸收窗玻璃材料的透射光子光谱的曲线图。波长选择性窗玻璃材料在PAR(400nm与700nm之间的光子)和近红外(Near-infrared，NIR)波段中具有不同的波长透射截止。在晴天大约太阳正午时，在覆盖有具有不同光谱透射的各种窗玻璃材料的室内进行测量。图16A示出了ND91(91％透射)、ND58(58％透射)和ND33(33％透射)。图16B示出了CO770、CO700。图16C示出了CO550a和CO550b。
图19A至图19M涉及根据至少示例1的实施方式的选择的来自罗勒、矮牵牛和番茄的生长响应回归。图19A是图例，而图19B至图19M示出了在具有不同光谱透射(参见图18A至图18C)的各种窗玻璃材料下的生长参数。图19B是示出作为日光积累量(DLI)的函数的罗勒的地上部分干重的图。图19C是示出作为DLI的函数的罗勒的茎长度的图。图19D是示出作为DLI的函数的罗勒的总叶面积的图。图19E是示出作为DLI的函数的罗勒的相对叶绿素含量(SPAD)的图。图19F是示出作为DLI的函数的矮牵牛的地上部分干重的图。图19G是示出作为DLI的函数的矮牵牛的茎长度的图。图19H是示出作为DLI的函数的矮牵牛的花蕾和花的图。图19I是示出作为DLI的函数的矮牵牛的叶面积的图。图19J是示出作为DLI的函数的番茄的果实鲜重的图。图19K是示出作为DLI的函数的番茄的茎长度的图。图19L是示出作为DLI的函数的番茄的总果实数的图。图19M是示出作为DLI的函数的番茄的地上部分干重的图。罗勒的地上部分干重和番茄的地上部分干重指代叶和茎两者。数据表示具有十个样本的平均值±SE。根据Tukey真实显著性差异检验，具有不同字母的平均值是显著的(P<0.05)。在表S1至表S3中分别呈现了罗勒、矮牵牛和番茄的回归方程。
图20是示出根据至少示例1的实施方式的罗勒生长响应回归并且具体地示出作为DLI(mol m-2d-1；400nm至700nm)(x)的函数的罗勒生长参数(y)的回归分析的表。选择具有最高R2值的回归类型来描述数据。S形(Sigmoidal)回归总是Gompertz函数(下面的方程5)。通过将叶面积(cm2)除以叶重(g)来计算具体叶面积(SLA)。通过将总的地上干重除以茎长度(cm)来计算紧密度。
图21是示出根据至少示例1的实施方式的矮牵牛生长响应回归并且具体地示出作为DLI(mol m-2d-1；400nm至700nm)(x)的函数的矮牵牛生长参数(y)的回归分析的表。选择具有最高R2值的回归类型来描述数据。S形回归总是Gompertz函数(下面的方程5)。将开花时间记录为从播种到首次开花的天数。通过将小叶面积(cm2)除以叶重(g)来计算SLA。通过将总地上干重除以中心茎长度(cm)来计算紧密度。S形回归是Gompertz函数(下面的方程5)。
图22是示出根据至少示例1的实施方式的番茄生长响应回归并且具体地示出作为DLI(mol m-2d-1；400nm至700nm)(x)的函数的各种番茄生长参数(y)的回归分析的表。选择具有最高R2值的回归类型来描述数据。S形回归总是Gompertz函数(下面的方程5)。垂直于冠层的顶部测量投影冠层面积(PCA)。将开花时间记录为从播种到首次开小花的天数。通过将小叶面积(cm2)除以叶重(g)来计算SLA。在测量面积和干重之前，将来自每个样本的代表性叶的复叶从叶柄切离。通过将总地上干重除以中心茎长度(cm)来计算紧密度。S形回归是Gompertz函数(下面的方程5)。
图23是报告根据至少示例1的实施方式的各种窗玻璃材料下的罗勒生长的表。材料具有不同的光合光子通量密度(PPFD；400nm至700nm)透射和光子分布。通过将代表性叶的叶面积(cm2)除以叶重(g)来计算SLA。通过将总地上干重除以茎长度(cm)来计算紧密度。数据表示具有十个样本的平均值。具有不同字母的平均值根据Tukey真实显著性差异检验是显著的(P<0.05)并且对应于每一行。较暗的阴影单元格对应于每个参数的最高值，而较亮的阴影单元格最低值并反映成对比较。
图24是包括根据示例1的实施方式的每种窗玻璃材料下的代表性植物的照片的图。分别在2020年6月16日、2020年7月21日和2020年10月13日对代表在各种实验窗玻璃材料下生长的那些植物的罗勒、矮牵牛和番茄植物拍摄照片。不同窗玻璃材料的透射光谱在图18A至图18C中给出。
图25是报告根据至少示例1的实施方式的各种窗玻璃材料下的矮牵牛生长响应的表。窗玻璃材料具有不同的光合光子通量密度(PPFD；400nm至700nm)透射和光子分布。将开花时间记录为从播种到首次开花的天数。通过将小叶面积(cm2)除以叶重(g)来计算SLA。通过将总地上干重除以中心茎长度(cm)来计算紧密度。数据表示具有十个样本的平均值。具有不同字母的平均值根据Tukey真实显著性差异检验是显著的(P<0.05)并且对应于每行。较暗的阴影单元格对应于每个参数的最高值，以及较亮的阴影单元格最低值并反映成对比较。
图26是报告根据至少示例1的实施方式的各种窗玻璃材料下的番茄生长响应的表。窗玻璃材料具有不同的光合光子通量密度(PPFD；400nm至700nm)透射和光子分布。垂直于冠层的顶部测量PCA。将开花时间记录为从播种到首次开花的天数。通过将小叶面积(cm2)除以叶重(g)来计算SLA。在该面积之前，将来自每个样本的代表性叶的复叶从叶柄切离，并且测量干重。通过将总地上干重除以中心茎长度(cm)来计算紧密度。数据表示具有十个样本的平均值。具有不同字母的平均值根据Tukey真实显著性差异检验是显著的(P<0.05)并且对应于每行。较暗的阴影单元格对应于每个参数的最高值，而较亮的阴影单元格最低值并反映成对比较。
图27A至图27G涉及根据至少示例1的实施方式的罗勒、矮牵牛和番茄的相对生长响应。具有不同光谱特性的各种窗玻璃材料下的罗勒、矮牵牛和番茄的相对生长。在图18A至图18C中给出不同窗玻璃材料的透射光谱。每个生长参数与根据种类的最大观察有关并且表示十个样本的平均。图27A是图例。图27B示出了作为DLI的函数的相对产量，其中相对产量指代罗勒和矮牵牛地上部分干重(叶和茎)以及番茄鲜果重。图27C是示出作为DLI的函数的相对SLA的图，其中SLA通过将叶面积(cm2)除以叶重来计算。图27D是示出作为DLI的函数的相对SPAD的图，其中SPAD反映叶的相对叶绿素浓度。图27E是示出相对茎长度的图，其中茎长度从基板表面到顶端分生组织测量。图27F是示出相对茎直径的图，其中茎直径在基板表面处测量。图27G是示出相对紧密度的图，其中紧密度通过将总地上干重(g)除以茎长度(cm)来计算。
图28是涉及根据至少示例1的实施方式的美国农业光伏系统的潜在能量输出的表。在农业光伏温室占据美国50％的覆盖生长面积且1％的农田面积被覆盖用于农业光伏目的的情况下，土地面积可用性可被近似出。美国的日平均太阳能辐射量(4.5kWh/m2/天)用作TPV模块上的入射功率，所述TPV模块基于当前和预期的TPV基准被分配有效率。
图29是涉及根据至少示例1的实施方式的农业光伏的潜在能量输出的图。在美国农业土地上的农业光伏的潜在能量输出明显超过屋顶太阳能和其他集成太阳能方法的能量产生。具有10％高效面板的农业光伏在仅10％美国农业土地覆盖的情况下将产生美国能量消耗的多于两倍，而在100％美国农业土地覆盖的情况下将产生全球能量消耗的多于四倍。
图30A至图30G涉及顶部覆有根据至少示例1的实施方式的实验窗玻璃材料的室的环境条件。图30A是示出罗勒室的按日期的平均日空气温度的图。30B是示出矮牵牛室的按日期的平均日空气温度的图。30A是示出番茄室的按日期的平均日空气温度的图。图30D是图30E至图30G的不同窗玻璃材料的图例。图30E是示出罗勒室的DLI(400nm至700nm)的图。图30F是示出矮牵牛室的DLI的图。图30G是示出番茄室的DLI的图。每分钟在冠层高度处测量并在24小时内积累瞬时光合光子通量密度(400nm至700nm)以计算DLI。室DLI之间的差反映出在室正上方的入射阳光的在91％(ND91)至34％(VIS550b)范围内的实验窗玻璃透射之间的差。
图31是涉及顶部覆有根据至少示例1的实施方式的实验窗玻璃材料的室内的环境条件的表。值表示在每个室内生长的罗勒、矮牵牛和番茄的日平均±SD。
图32A至图32E涉及作为根据至少示例1的实施方式的三个预测变量的函数的罗勒生长参数，所述预测变量为：DLI(400nm至700nm)、扩展日光积累量(eDLI；400nm至750nm)和平均光合透射(APT；与根据1972年McCree的产量光子通量密度同义)。在整个实验持续时间中记录平均处理DLI，然后使用光谱辐射测定数据转换成eDLI和APT。通常，APT值较低且eDLI值大于DLI。图32A是图32B至图32E的图例。图32B是示出作为以上三个参数的函数的地上部分干重的图。图32C是示出作为以上三个参数的函数的总叶面积的图。图32D是示出作为以上三个参数的函数的茎长度的图。图32E是示出作为以上三个参数的函数的SPAD的图。
图33是包括根据至少示例2的实施方式的各种窗玻璃材料下的代表性植物的照片的图。
图34是报告根据至少示例2的实施方式的莴苣“Rouxai”在2021年中的生长参数的表。
图35是报告根据至少示例2的实施方式的金鱼草“Snapshot yellow”在2021年中的生长参数的表。
图36是报告根据至少示例2的实施方式的罗勒“Genovese”在2021年中的生长参数的表。
图37是报告根据至少示例2的实施方式的大豆在2021年期间的生长参数的表。
图38是包括根据至少示例3的实施方式的在2022年中在每种窗玻璃材料下的代表性植物的照片的图。
图39是报告根据至少示例3的实施方式的罗勒“Genovese”在2022年期间的生长的表。
图40是报告根据至少示例3的实施方式的大豆在2022年期间的生长的表。
图41A至图41C描绘了根据至少示例1至示例3的实施方式的在2020年与2022年之间生长的作物的相对生长响应。
图42是报告根据至少示例4的实施方式的表中指示的具有固定的IEICO-4F厚度和可变的PTB7-Th厚度的双层TPV装置的实验确定的光学(APT)值和电子(JSC、VOC、填充因子(FF)、PCE、LUE*)值的表。
图43A至图43C涉及根据至少示例4的实施方式的具有不同PTb7-Th厚度的TPV的聚合物厚度优化。图43A是示出电流-电压(J-V)曲线的图。图43B是示出外部量子效率(EQE)的图。图43C是示出透射的图。
图44是报告根据至少示例5的实施方式的包括边缘安装GaAs的基于纳米簇的装置的实验确定的光学(APT、SHGC*)值和电子(JSC、VOC、FF、PCE、LUE*)值的表。
图45是报告根据至少示例5的实施方式的具有边缘安装GaAs的NIR吸收染料装置的实验确定的光学(APT、SHGC*)值和电子(JSC、VOC、FF、PCE、LUE*)值的表。
图46是报告根据至少示例5的实施方式的具有边缘安装Si单元的选择装置的实验确定的光学(APT、SHGC*)值和电子(JSC、VOC、FF、PCE、LUE*)值的表。
图47是示出根据至少示例5的实施方式的低-e堆叠样本的透射率的图。
图48是报告根据至少示例5的实施方式的具有置于装置底表面下方的边缘安装Si单元和低-e堆叠1的选择装置的实验确定的光学(APT、SHGC*)值和电子(JSC、VOC、FF、PCE、LUE*)值的表。
图49是示出根据至少示例5的实施方式的具有置于装置底表面下方的边缘安装Si单元和低-e堆叠2的选择装置的实验确定的光学(APT、SHGC*)值和电子(JSC、VOC、FF、PCE、LUE*)值的图。
图50A至图50D是示出根据至少示例5的实施方式的电流密度电压和EQE的图。图50A是示出对于处于所指示浓度的NC和COi的J-V曲线的图。图50B是示出对于处于0.15mg/mL的COi8DFIC和处于0.2mg/mL的IR775-TPFB的J-V曲线的图。图50C是示出对于处于所指示浓度的NC和COi的作为波长的函数的EQE的图。图50D是示出对于处于0.15mg/mL的COi8DFIC和处于0.2mg/mL的IR775-TPFB的作为波长的函数的EQE的图。
贯穿附图的若干视图，对应的附图标记指示对应的部分。
具体实施方式
提供示例实施方式以使得本公开内容将是透彻的，并且将向本领域技术人员充分地传达范围。阐述了许多具体细节例如具体组合物、部件、装置和方法的示例，以提供对本公开内容的实施方式的透彻理解。对于本领域技术人员将明显的是，不需要采用具体细节，示例实施方式可以以许多不同的形式实现，并且都不应当被解释为限制本公开内容的范围。在一些示例实施方式中，没有详细地描述公知的处理、公知的装置结构和公知的技术。
本文中所使用的术语仅用于描述特定示例实施方式的目的，并且不旨在进行限制。如本文中所使用的，单数形式“一(a)”、“一个(an)”和“该(the)”也可以旨在包括复数形式，除非上下文另有明确指示。术语“包括(comprise)”、“包括(comprising)”、“含有(including)”和“具有(having)”是包括性的，并且因此指定所述的特征、元素、组合物、步骤、整数、操作和/或部件的存在，但是不排除一个或更多个其他特征、整数、步骤、操作、元素、部件和/或它们的群组的存在或添加。尽管开放式术语“包括(comprising)”应当被理解为用于描述和要求保护本文中阐述的各种实施方式的非局限性术语，但是在某些方面，该术语可以替选地理解为代替是更具限制性和局限性的术语例如“由……组成”或“基本上由……组成”。因此，对于记载组合物、材料、部件、元素、特征、整数、操作和/或处理步骤的任何给定实施方式，本公开内容还具体地包括由这种所记载的组合物、材料、部件、元素、特征、整数、操作和/或处理步骤组成或者基本上由这种所记载的组合物、材料、部件、元素、特征、整数、操作和/或处理步骤组成的实施方式。在“由……组成”的情况下，替选实施方式排除任何附加的组合物、材料、部件、元素、特征、整数、操作和/或处理步骤，而在“基本上由……组成”的情况下，实质上影响基本特性和新颖特性的任何附加的组合物、材料、部件、元素、特征、整数、操作和/或处理步骤从这样的实施方式中排除，但是没有实质上影响基本特性和新颖特性的任何组合物、材料、部件、元件、特征、整数、操作和/或处理步骤可以包括在实施方式中。
除非具体标识为执行顺序，否则本文中描述的任何方法步骤、处理和操作不应当被解释为必须要求它们以所讨论或示出的特定顺序执行。还应当理解，除非另有指示，否则可以采用附加的或替选的步骤。
当部件、元件或层被称为在另一元件或层“上”、“啮合至”、“连接至”或“耦接至”另一元件或层时，该部件、元件或层可以直接在另一个部件、元件或层上、啮合至、连接至或耦接至另一个部件、元件或层，或者可以存在中间元件或层。相比之下，当元件被称为直接在另一元件或层“上”、“直接啮合至”、“直接连接至”或“直接耦接至”另一元件或层时，可能不存在中间元件或层。用于描述元件之间的关系的其他词语应当以类似的方式解释(例如，“在……之间”与“直接在……之间”、“邻近”与“直接邻近”等)。如本文中所使用的，术语“和/或”包括相关联的列出项中的一个或更多个的任意组合和所有组合。
尽管术语第一、第二、第三等在本文中可用于描述各种步骤、元件、部件、区域、层和/或区段，但是这些步骤、元件、部件、区域、层和/或区段不应当受这些术语限制，除非另有指示。这些术语可以仅用于将一个步骤、元件、部件、区域、层或区段与另一步骤、元件、部件、区域、层或区段区分开。诸如“第一”、“第二”的术语和其他数字术语在本文中使用时不暗示顺序或次序，除非上下文明确指示。因此，在不脱离示例实施方式的教导的情况下，下面讨论的第一步骤、元件、部件、区域、层或区段可以被称为第二步骤、元件、部件、区域、层或区段。
为了便于描述，本文中可以使用空间上或时间上相对的术语，例如“在……之前”、“在……之后”、“内部”、“外部”、“在……下面”、“在……下方”、“下部”、“在……上方”、“上部”等，以描述如图所示的一个元件或特征与另一元件或特征的关系。除了图中描绘的取向以外，空间上或时间上相对的术语可以旨在涵盖在使用或操作中的装置或系统的不同取向。
贯穿本公开内容，数值表示对范围的近似测量或限制，以涵盖与给定值和具有约所提及的值以及具有确切所提及的值的给定实施方式的微小偏差。除了在具体实施方式的结尾处提供的工作示例中以外，本说明书(包括所附权利要求)中的参数(例如，数量或条件)的所有数值应当被理解为在所有情况下由术语“约”修饰，无论“约”是否实际上出现在数值之前。“约”指示所述数值允许一些轻微的不精确性(以某种方法达到该值的准确性；近似地或合理地接近该值；几乎为该值)。如果由“约”提供的不精确性在本领域中没有以这种普通含义理解，则本文中所使用的“约”至少指示可能由测量和使用此类参数的普通方法引起的变化。例如，“约”可以包括小于或等于5％、可选地小于或等于4％、可选地小于或等于3％、可选地小于或等于2％、可选地小于或等于1％、可选地小于或等于0.5％、并且在某些方面可选地小于或等于0.1％的变化。
另外，范围的公开内容包括整个范围内的所有值的公开内容和进一步划分的范围的公开内容(包括针对范围给出的端点和子范围)。
现在将参照附图更全面地描述示例实施方式。
当前技术提供了用在诸如农业光伏系统的系统中的透明太阳能面板。农业光伏系统可以是封闭结构(例如，温室、人工气候室、植物生物反应器和/或拱形室)、非封闭结构(例如，土地上方和/或水上方的阵列)以及/或者集成至设备例如农业设备中。透明太阳能面板可以被配置成设置在一个或更多个光合生物体(例如植物)与光源(例如太阳)之间，例如在光合生物体上方。
除了产生电来为本地负载、灯和/或其他设备供电以外，太阳能面板可以通过减少外来辐射来帮助调节温室环境，从而减少在过量辐射时段期间对于冷却的需求，并且因此减少用水。此外，更充分地收集太阳光谱以有效地引起作物生长和产生太阳能电的能力可以更好地利用大型温室、农业土地面积和包括土地和/或水的其他区域。
透明太阳能面板可以是透明光伏(TPV)或透明发光太阳能集中器(TLSC)。除非另有说明，否则如本文中所使用的“透明太阳能面板”或“太阳能面板”指代TPV和/或TLSC。透明太阳能面板被配置成基于波长来选择性地且主要地吸收和透射光。更具体地，太阳能面板可以被配置成透射对光合生物体有益例如对在植物的情况下的生长和/或品质有益的光。在至少一个示例实施方式中，当前技术还提供包括透明太阳能面板的结构和/或设备。光合生物体响应和PV发电两者都是在设计根据本公开内容的原理的系统时的考虑因素。在至少一个示例实施方式中，农业光伏系统被配置成通过如下维持植物产量和/或品质：使对具有有益于植物的波长的光子的透射的PV影响减小或最小化。在至少一个示例实施方式中，当前技术使对400nm与700nm之间的波长——通常被称为光合有效辐射(Photosynthetically Active Radiation，PAR)——的PV影响减小或最小化。
如上面所讨论的，根据本公开内容的至少一个示例实施方式的太阳能电池可以与植物和/或其他光合生物体的培养结合使用。量子传感器用于测量单位为μmol·m-2·s-1的光合光子通量密度(Photosynthetic Photon Flux Density，PPFD)。从植物生长和生产率的角度来看，被称作单位为mol·m-2·d-1的日光积累量或DLI的日平均积累值更适当。单位也为mol·m-2·d-1的扩展日光积累量或eDLI类似于DLI，但是考虑400nm至750nm的扩展PAR(Extended PAR，ePAR)中而非PAR中的波长。
PPFD和DLI的定义假设波长在400nm与700nm之间的任何光子相等地为光合作用供能(即，它具有相同的量子产率)。然而，光子可以基于其相对作用和叶吸收而具有不同的量子效率(参见例如图1中的YPFD曲线108)。因此，创建PAR的加权描述以基于光源的光谱分布给出瞬时光合速率的更准确表示——称为有效光子通量密度(YPFD)，如在以下中所描述的：Sager,J.C.,Smith,W.O.,Edwards,J.L.和Cyr,K.L.,1988年，Photosyntheticefficiency and phytochrome photoequilibria determination using spectral data，Transactions of the ASAE，第31卷第6期，第1882-89页，其全部内容通过引用并入本文中。在这种情况下，YPFD不限于仅PAR；<400nm且>700nm的光子被包括在内，虽然随着光子波长减小至400nm以下以及增大至700nm以上，其功效迅速减小。
最近，已经提出了考虑400nm与750nm之间的光子的PAR的定义变化，其可以被称为扩展PAR或ePAR(如由以下内容所描述的：Zhen,S.和Bugbee,B.,2020a.Far-red photonshave equivalent efficiency to traditional photosynthetic photons:Implicationsfor redefining photosynthetically active radiation，Plant,cell&environment，第43卷第5期，第1259-1272页；以及Zhen,S.and Bugbee,B.,2020b.Substituting far-redfor traditionally defined photosynthetic photons results in equal canopyquantum yield for CO2 fixation and increased photon capture during long-termstudies:Implications for re-defining PAR，Frontiers in Plant Science，第11期，第1433页，这两个文献都通过引用整体并入本文中)。ePAR与至少一个示例实施方式相关，因为面板是在约700nm或是更接近750nm时开始截止可能影响植物生长以及能量产生。不管使用哪个量子单位来描述光伏材料的光度透射，都需要报告这些以植物为中心的参数中的至少一个来适当地表征植物环境，并且使研究之间的比较有意义。
将半透明模块和透明模块转化为光合活生物体——例如基于植物和农业的应用——需要重新定义的重要度量。通常，对于窗工业中的透明太阳能面板，被报告且最重要的是平均可见透明度。平均可见光透射率(AVT)是由太阳能光子通量和人眼的平均响应——也称为明视觉响应——量化的对多少光穿过面板或窗的测量。
为了提供PV面板可以如何在农业光伏系统中执行的背景，本公开内容引入了新的度量，即平均光合透射率(APT)，其类似于来自窗工业的AVT。替代明视觉响应，我们利用植物的相对量子效率，其被定义为在22种植物之间平均的每个光子的瞬时CO2消耗速率并且迄今为止仍然是最广泛的植物量子效率研究(在以下内容中所描述的：Mccree,K.J.ActionSpectrum,Absorptance and Quantum Yield of Photosynthesis in CropPlants.Agric.Meteorol.1972,9(3-4),191-.，其全部内容通过引用并入本文中)。因此，APT被定义为：
其中，S(λ)为AM1.5G光子通量，T(λ)为面板的光子透射率，以及P(λ)为平均光合量子产率，如上面由McCree定义的。因此，APT是置于植物上方的面板的某一特性，其根本上基于位置以及定位相关太阳通量影响并赋予特定的量子单位(例如，DLI、YPFD等)。
参照图1A，归一化的光子通量被示出为波长的函数。叶绿素a(Chl a)在100处示出，叶绿素b(Chl b)在102处示出，红色吸收植物色素(Pr)在104处示出，远红外吸收植物色素(Pfr)在106处示出，以及以作为波长的函数吸收的每mol光子固定的mol CO2为单位、表示为McCree的平均量子产率在108处示出。在至少一个示例实施方式中，第一范围120(以白色示出)内的波长最重要，第二范围122(以浅灰色示出)内的波长中等重要，以及第三范围124(以深灰色示出)内的波长最不重要。具有高的光合有效辐射(PAR)透射是重要的，因为植物使用来自该波段的光子进行光合作用并作为光形态发生的信号。为了表征该窗，绘制了许多植物的叶绿素(Chl)a和b、红色吸收植物铬(Pr)和远红外吸收植物铬(Pfr)的吸收光谱以及平均量子产率(作为波长的函数吸收的每mol光子固定的mol CO2；表示为McCree)。吸收VIS对于BIPV面板在能量上是有利的，但是可能对温室作物生长和发育产生负面影响。
PAR可以被划分成三个波段：蓝光(400nm至500nm)、绿光(500nm至600nm)和红光(600nm至700nm)。如图1A所示，每个波段独立并交互地调节植物生长和发育，其中附加的贡献来自UV(280nm至400nm)和近红外(NIR)或远红外(700nm至750nm)。在这些中，蓝光和远红外光强有力地调节植物形态和发育，从而改变诸如叶面积、茎长度和开花的特性。尽管在一些情况(例如，降低水消耗或土壤温度)下降低外来太阳辐射可能是有益的，但是通过透射尽可能多的PAR——特别是在温度气候下——这种混合田地的采用将广泛适用。
在一些农业光伏方法中，由于叶绿素和类胡萝卜素的低吸收，因此绿光被认为对植物产量具有可忽略的影响，导致其成为在温室中在PV中吸收的目标波长。然而，如图1A所示，诸如相对作用和量子产率的度量显示植物令人惊讶地并且出乎意料地在光合作用中非常有效地利用绿光。绿光特别地适用于在高光条件下更深地穿透至叶子中并到达被其他叶遮蔽的叶。因此，通过吸收PAR内的特定波段的光谱操纵(图1B)将改变植物生长和产量，这将在不同植物种类之间变化。允许种植者维持对植物生长和发育方式的控制同时仍提供农业光伏的益处对于促进未来广泛采用将是重要的。
在至少一个示例实施方式中，根据本公开内容的太阳能面板可以是透明的或半透明的。术语“透明的”或“可见透明的”通常指代具有大于或等于约45％(例如，大于或等于约50％、大于或等于约60％、大于或等于约75％、大于或等于约80％、或者大于或等于约90％)的AVT的太阳能面板。术语“不透明的”或“可见不透明的”通常指代具有通过眼睛的明视觉响应加权为10％或更少的镜面透射的平均可见透明度的装置。具有通过眼睛的明视觉响应加权为10％至50％之间的AVT的装置通常被称为“半透明的”。
因为AVT相比于植物视觉与人类视觉更相关，所以至少一个示例实施方式对如上面所描述的植物使用不同的参数APT。如本文中所使用的，术语“透明的”、“光合透明的”或“植物透明的”指代具有大于或等于约45％(例如，大于或等于约50％、大于或等于约60％、大于或等于约65％、大于或等于约70％、大于或等于约75％、大于或等于约80％、大于或等于约85％、或者大于或等于约90％)的APT的太阳能面板。如本文中所使用的，术语“半透明的”、“光合半透明的”或“植物半透明的”指代具有1％至45％的APT的太阳能面板。
如上面所描述的，透明太阳能面板可以包括TPV或TLSC。根据当前技术的透明太阳能面板可以至少在吸收和透射波长范围上不同于其他独立或非农业光伏TPV和TLSC。更具体地，根据当前技术的TPV和TLSC被定制或优化以透射用于刺激光合生物体例如植物的生长和/或品质的光而非透射可见光(尽管透射波长的范围可能部分交叠)，并且收集对刺激生物体生长和品质不太有用的光以供能量产生。
在至少一个示例实施方式中，太阳能面板可以是透明的或半透明的，并且具有大于或等于约20％(例如，大于或等于约25％、大于或等于约30％、大于或等于约35％、大于或等于约40％、大于或等于约45％、大于或等于约50％、大于或等于约55％、大于或等于约60％、大于或等于约65％、大于或等于约70％、大于或等于约75％、大于或等于约80％、大于或等于约85％、或者大于或等于约90％)的APT。APT可以小于或等于约100％(例如，小于或等于约95％、小于或等于约90％、小于或等于约85％、小于或等于约80％、小于或等于约75％、小于或等于约70％、小于或等于约65％、小于或等于约60％、小于或等于约55％、或者小于或等于约50％)。
太阳能面板可以被配置成将光透射至包含一个或更多个植物的区域。在至少一个示例实施方式中，所述区域可以被配置成经由太阳能面板以大于或等于约5mol·m-2·d-1(例如，大于或等于约6mol·m-2·d-1、大于或等于约7mol·m-2·d-1、大于或等于约8molmol·m-2·d-1、大于或等于约9mol·m-2·d-1、大于或等于约10mol·m-2·d-1、大于或等于约11mol·m-2·d-1、大于或等于约12mol·m-2·d-1、大于或等于约13mol·m-2·d-1、大于或等于约14mol·m-2·d-1、大于或等于约15mol·m-2·d-1、大于或等于约16mol·m-2·d-1、大于或等于约17mol·m-2·d-1、大于或等于约18mol·m-2·d-1、大于或等于约19mol·m-2·d-1、大于或等于约20mol·m-2·d-1、大于或等于约21mol·m-2·d-1、大于或等于约22mol·m-2·d-1、大于或等于约23mol·m-2·d-1、大于或等于约24mol·m-2·d-1、大于或等于约25mol·m-2·d-1、大于或等于约30mol·m-2·d-1、大于或等于约35mol·m-2·d-1、大于或等于约40mol·m-2·d-1、或者大于或等于约45mol·m-2·d-1)的DLI接收光。DLI可以小于或等于约50mol·m-2·d-1(例如，小于或等于约45mol·m-2·d-1、小于或等于约40mol·m-2·d-1、小于或等于约35mol·m-2·d-1、小于或等于约30mol·m-2·d-1、小于或等于约25mol·m-2·d-1、或者小于或等于约20mol·m-2·d-1)。
在至少一个示例实施方式中，所述区域可以被配置成经由太阳能面板以大于或等于约5mol·m-2·d-1(例如，例如，大于或等于约6mol·m-2·d-1、大于或等于约7mol·m-2·d-1、大于或等于约8mol·m-2·d-1、大于或等于约9mol·m-2·d-1、大于或等于约10mol·m-2·d-1、大于或等于约11mol·m-2·d-1、大于或等于约12mol·m-2·d-1、大于或等于约13mol·m-2·d-1、大于或等于约14mol·m-2·d-1、大于或等于约15mol·m-2·d-1、大于或等于约16mol·m-2·d-1、大于或等于约17mol·m-2·d-1、大于或等于约18mol·m-2·d-1、大于或等于约19mol·m-2·d-1、大于或等于约20mol·m-2·d-1、大于或等于约21mol·m-2·d-1、大于或等于约22mol·m-2·d-1、大于或等于约23mol·m-2·d-1、大于或等于约24mol·m-2·d-1、大于或等于约25mol·m-2·d-1、大于或等于约30mol·m-2·d-1、大于或等于约35mol·m-2·d-1、大于或等于约40mol·m-2·d-1、或者大于或等于约45mol·m-2·d-1、或者大于或等于约50mol·m-2·d-1、或者大于或等于约55mol·m-2·d-1)的eDLI接收光。eDLI可以小于或等于约60mol·m-2·d-1(例如，小于或等于约55mol·m-2·d-1、小于或等于约50mol·m-2·d-1、小于或等于约45mol·m-2·d-1、小于或等于约40mol·m-2·d-1、小于或等于约35mol·m-2·d-1、小于或等于约30mol·m-2·d-1、小于或等于约25mol·m-2·d-1、或者小于或等于约20mol·m-2·d-1)。
在至少一个示例实施方式中，所述区域可以被配置成经由太阳能面板以大于或等于约2mol·m-2·d-1(例如，大于或等于约5mol·m-2·d-1、大于或等于约10mol·m-2·d-1、大于或等于约11mol·m-2·d-1、大于或等于约12mol·m-2·d-1、大于或等于约13mol·m-2·d-1、大于或等于约14mol·m-2·d-1、大于或等于约15mol·m-2·d-1、大于或等于约16mol·m-2·d-1、大于或等于约17mol·m-2·d-1、大于或等于约18mol·m-2·d-1、大于或等于约19mol·m-2·d-1、大于或等于约20mol·m-2·d-1、大于或等于约21mol·m-2·d-1、大于或等于约22mol·m-2·d-1、大于或等于约23mol·m-2·d-1、大于或等于约24mol·m-2·d-1、大于或等于约25mol·m-2·d-1、大于或等于约30mol·m-2·d-1、大于或等于约35mol·m-2·d-1、或者大于或等于约40mol·m-2·d-1)的YPFD接收光。YPFD可以小于或等于约45mol·m-2·d-1(例如，小于或等于约40mol·m-2·d-1、小于或等于约35mol·m-2·d-1、小于或等于约30mol·m-2·d-1、小于或等于约25mol·m-2·d-1、或者小于或等于约20mol·m-2·d-1)。
如本文中所使用的，“基本上吸收”意指光吸收材料(例如，太阳能面板)吸收大于或等于约50％的特定波长的光(例如，大于或等于约60％、大于或等于约70％、大于或等于约80％、或者大于或等于约90％的具有特定波长的光)。在至少一个示例实施方式中，太阳能电池可以基本上吸收波长大于或等于约700nm、大于或等于约710nm、大于或等于约720nm、大于或等于约730nm、大于或等于约740nm、大于或等于约750nm、大于或等于约760nm、大于或等于约770nm、大于或等于约780nm、大于或等于约790nm、大于或等于约800nm、大于或等于约810nm、大于或等于约820nm、大于或等于约830nm、大于或等于约840nm、大于或等于约850nm、大于或等于约860nm、大于或等于约870nm、大于或等于约880nm、大于或等于约890nm、或者大于或等于约900nm的光。太阳能电池可以基本上吸收波长小于或等于约450nm、小于或等于约440nm、小于或等于约430nm、小于或等于约420nm、小于或等于约410nm、小于或等于约400nm、小于或等于约390nm、小于或等于约380nm、小于或等于约370nm、小于或等于约360nm、或者小于或等于约350nm、小于或等于约340nm、小于或等于约330nm、小于或等于约320nm、小于或等于约310nm、小于或等于约300nm、小于或等于约290nm、或者小于或等于约280nm的光。
在至少一个示例实施方式中，太阳能电池可以具有大于PAR(或替选地，ePAR)中的任何吸收峰的最大峰吸收(也被称为“初级吸收峰”)。最大峰吸收可以出现在大于或等于约700nm(例如，大于或等于约710nm、大于或等于约720nm、大于或等于约730nm、大于或等于约740nm、大于或等于约750nm、大于或等于约760nm、大于或等于约770nm、大于或等于约760nm、大于或等于约780nm、大于或等于约790nm、大于或等于约800nm、大于或等于约810nm、大于或等于约820nm、大于或等于约830nm、大于或等于约840nm、大于或等于约850nm、大于或等于约860nm、大于或等于约870nm、大于或等于约880nm、大于或等于约890nm、或者大于或等于约900nm)的波长处。最大峰吸收可以出现在小于或等于约1200nm(例如，小于或等于约1100nm、小于或等于约1050nm、小于或等于约1000nm、或者小于或等于约950nm)的波长处。
在至少一个其他示例实施方式中，太阳能电池可以在小于或等于约450nm(例如，小于或等于约440nm、小于或等于约430nm、小于或等于约420nm、小于或等于约410nm、小于或等于约400nm、小于或等于约390nm、小于或等于约380nm、小于或等于约370nm、小于或等于约360nm、或者小于或等于约350nm、小于或等于约340nm、小于或等于约330nm、小于或等于约320nm、小于或等于约310nm、小于或等于约300nm、小于或等于约290nm、或者小于或等于约280nm)的波长处具有最大峰吸收。最大峰吸收可以出现在大于或等于约200nm(例如，大于或等于约250nm、大于或等于约300nm、大于或等于约350nm、或者大于或等于约400nm)的波长处。
在至少一个示例实施方式中，太阳能电池可以具有第二最大峰吸收(也被称为“次级吸收峰”)。次级吸收峰可以出现在大于或等于约700nm(例如，大于或等于约710nm、大于或等于约720nm、大于或等于约730nm、大于或等于约740nm、大于或等于约750nm、大于或等于约760nm、大于或等于约770nm大于或等于约760nm、大于或等于约780nm、大于或等于约790nm、大于或等于约800nm、大于或等于约810nm、大于或等于约820nm、大于或等于约830nm、大于或等于约840nm、大于或等于约850nm、大于或等于约860nm、大于或等于约870nm、大于或等于约880nm、大于或等于约890nm、或者大于或等于约900nm)的波长处。次级吸收峰可以出现在小于或等于约1200nm(例如，小于或等于约1100nm、小于或等于约1050nm、小于或等于约1000nm、或者小于或等于约950nm)的波长处。
在至少一个其他示例实施方式中，太阳能电池可以在小于或等于约450nm(例如，小于或等于约440nm、小于或等于约430nm、小于或等于约420nm、小于或等于约410nm、小于或等于约400nm、小于或等于约390nm、小于或等于约380nm、小于或等于约370nm、小于或等于约360nm、或者小于或等于约350nm、小于或等于约340nm、小于或等于约330nm、小于或等于约320nm、小于或等于约310nm、小于或等于约300nm、小于或等于约290nm、或者小于或等于约280nm)的波长处具有次级吸收峰。次级吸收峰可以出现在大于或等于约200nm(例如，大于或等于约250nm、大于或等于约300nm、大于或等于约350nm、或者大于或等于约400nm)的波长处。
在至少一个示例实施方式中，透明太阳能电池可以具有作为峰1透射(或吸收)的近似5％、10％或15％或20％的1透射(或吸收)的透射截止(也被称为“吸收截止”或“截止波长”)。透射截止可以在大于或等于约700nm、大于或等于约710nm、大于或等于约720nm、大于或等于约730nm、大于或等于约740nm、大于或等于约750nm、大于或等于约760nm、大于或等于约770nm、大于或等于约760nm、大于或等于约780nm、大于或等于约790nm、大于或等于约800nm、大于或等于约810nm、大于或等于约820nm、大于或等于约830nm、大于或等于约840nm、大于或等于约850nm、大于或等于约860nm、大于或等于约870nm、大于或等于约880nm、大于或等于约890nm、或者大于或等于约900nm的波长处。在至少一个示例实施方式中，透明太阳能电池可以具有小于或等于约450nm(例如，小于或等于约440nm、小于或等于约430nm、小于或等于约420nm、小于或等于约410nm、小于或等于约400nm、小于或等于约390nm、小于或等于约380nm、小于或等于约370nm、小于或等于约360nm、或者小于或等于约350nm、小于或等于约340nm、小于或等于约330nm、小于或等于约320nm、小于或等于约310nm、小于或等于约300nm、小于或等于约290nm、或者小于或等于约280nm)的透射截止。
太阳能面板可以对蓝光至少部分地透明。在至少一个示例实施方式中，太阳能面板对具有约400nm至500nm的波长(通过示例的方式，包括在所有波长400nm至450nm处、在所有波长425nm至475nm处、在所有波长450nm至480nm处、以及/或者在所有波长450nm至500nm处、以及在410nm、420nm、430nm、440nm、450nm、460nm、470nm、480nm和/或490nm的波长处)的蓝光大于或等于约50％(例如，大于或等于约55％、大于或等于约60％、大于或等于约65％、大于或等于约70％、大于或等于约75％、大于或等于约80％、或者大于或等于约85％)透明。太阳能面板可以对具有约400nm至500nm的波长(通过示例的方式，包括在所有波长400nm至450nm处、在所有波长425nm至475nm处、在所有波长450nm至480nm处、以及/或者在所有波长450nm至500nm处、以及在410nm、420nm、430nm、440nm、450nm、460nm、470nm、480nm和/或490nm的波长处)的蓝光小于或等于约100％(例如，小于或等于约95％、小于或等于约90％、小于或等于约85％、小于或等于约80％、小于或等于约75％、或者小于或等于约70％)透明。
太阳能面板可以对绿光至少部分地透明。在至少一个示例实施方式中，太阳能面板对具有500nm至600nm的波长(通过示例的方式，包括在所有波长500nm至550nm处、在所有波长520nm至540nm处、在所有波长525nm至575nm处、在所有波长550nm至600nm处、以及在510nm、520nm、530nm、540nm、550nm、560nm、570nm、580nm和/或590nm的波长处)的绿光大于或等于约50％(例如，大于或等于约55％、大于或等于约60％、大于或等于约65％、大于或等于约70％、大于或等于约75％、大于或等于约80％、或者大于或等于约85％)透明。太阳能面板可以对具有约500nm至600nm的波长(通过示例的方式，包括在所有波长500nm至550nm处、在所有波长520nm至540nm处、在所有波长525nm至575nm处、在所有波长550nm至600nm处、以及在510nm、520nm、530nm、540nm、550nm、560nm、570nm、580nm和/或590nm的波长处)的绿光小于或等于约100％(例如，小于或等于约95％、小于或等于约90％、小于或等于约85％、小于或等于约80％、小于或等于约75％、或者小于或等于约70％)透明。
太阳能面板可以对红光至少部分地透明。在至少一个示例实施方式中，太阳能面板对具有600nm至700nm的波长(通过示例的方式，包括在所有波长600nm至650nm处、在所有波长620nm至640nm处、在所有波长625nm至675nm处、以及/或者在所有波长650nm至700nm处、以及在610nm、620nm、630nm、640nm、650nm、660nm、670nm、680nm和/或690nm的波长处)的红光大于或等于约50％(例如，大于或等于约55％、大于或等于约60％、大于或等于约65％、大于或等于约70％、大于或等于约75％、大于或等于约80％、或者大于或等于约85％)透明。太阳能面板可以对具有约600nm至700nm的波长(通过示例的方式，包括在所有波长600nm至650nm处、在所有波长620nm至640nm处、在所有波长625nm至675nm处、以及/或者在所有波长650nm至700nm处、以及在610nm、620nm、630nm、640nm、650nm、660nm、670nm、680nm、和/或690nm的波长处)的红光小于或等于约100％(例如，小于或等于约95％、小于或等于约90％、小于或等于约85％、小于或等于约80％、小于或等于约75％、或者小于或等于约70％)透明。
太阳能面板可以对远红光至少部分地透明。在至少一个示例实施方式中，太阳能面板对具有700nm至750nm的波长(通过示例的方式，包括在所有波长700nm至725nm处、在所有波长700nm至720nm处、在所有波长700nm至710nm处、以及/或者在所有波长725nm至750nm处、以及在710、720、730和/或740的波长处)的远红光大于或等于约50％(例如，大于或等于约55％、大于或等于约60％、大于或等于约65％、大于或等于约70％、大于或等于约75％、大于或等于约80％、或者大于或等于约85％)透明。太阳能面板可以对具有约700nm至750nm的波长(通过示例的方式，包括在所有波长700nm至725nm处、在所有波长700nm至720nm处、在所有波长700nm至710nm处、以及/或者在所有波长725nm至750nm处、以及在710、720、730和/或740的波长处)的远红光小于或等于约100％(例如，小于或等于约95％、小于或等于约90％、小于或等于约85％、小于或等于约80％、小于或等于约75％、或者小于或等于约70％)透明。
在至少一个示例实施方式中，另一不明显但重要的度量是太阳能得热系数(SHGC)。SHGC是整个太阳能面板或装置的透射太阳辐射与入射太阳辐射的比。在窗工业中利用SHGC来定量地评估窗阻挡由阳光(包括UV、VIS、NIR和IR)引起的热的程度。例如在作为复合电极(单银或多层银)的电极中、在波导上和/或与波导邻近，基于结构(例如，通过层的添加)来控制SHGC，如下面更详细地描述的。
在至少一个示例实施方式中，SHGC可以小于或等于约0.7(例如，小于或等于约0.65、小于或等于约0.6、小于或等于约0.55、小于或等于约0.5、小于或等于约0.45、小于或等于约0.4、小于或等于约0.35、小于或等于约0.3、小于或等于约0.25、小于或等于约0.2、或者小于或等于约0.15)。
SHGC对于建筑物是重要的，这是因为它影响建筑物的能量效率并且决定所需的冷却负荷。SHGC越低，被阻挡的太阳能热越多。SHGC被定义为：
其中，A*为来自透射至房间中的能量(不是整个吸收通量，这是因为这些能量中的一些远离窗向外辐射)的贡献的透明农业光伏太阳能电池的吸收光谱。
SHGC在农业应用中也将是重要的，这是因为它可以用于减少对植物的热负荷，从而降低水蒸发速率，减少灌溉需求，减少作物的热相关损失，以及/或者改善作物弹性，并且在封闭应用中减少冷却需求/负荷。在开阔地部署的情况下，SHGC可以被修改为：
其中，吸收项被移除，这是因为吸收组分将不被直接转化至植物，并且在面板阵列周围(上方和下方)存在自由流动的空气。
低e涂层是实现同时具有高AVT的低SHGC的一种方法。它们反射(或拒绝)部分UV、NIR和/或IR光。未涂覆的玻璃片通常具有约0.818的SHGC，而高品质的低e窗通常具有从0.5至0.2的SHGC。低e涂层可以用薄或超薄金属例如Ag、Au和/或Cu制成。存在三种常见类型的基于Ag的低e涂层：单银、双银或三银，其配置为诸如[MO/金属/]x/MO、[有机/金属/]x/有机、或[基底/晶种/金属/阻滞物/晶种]x顶层，其中x(重复层数)＝1、2、3等。
金属氧化物(MO)的示例包括MoO3、Bi2O3、SnO2、ZnO、TiO2、SiO2、Zn2SnO4、Si3N4、铟掺杂的锡氧化物(ITO)和铝掺杂的锌氧化物(AZO)、或其任何组合。MO的厚度范围可以从大于或等于约10nm至小于或等于约50nm。有机物的示例包括浴铜灵、α-NPD、Alq3或其任何组合。金属的示例包括Ag、Au和Cu，并且厚度范围为从大于或等于约2nm至小于或等于约20nm。作为示例，来自PPG产品的银堆叠布局具有Zn2SnO4的基底、ZnO的晶种、Ag的金属、Ti的阻滞物和TiO2的顶层，其中x＝2，并且中间的锡酸锌层的厚度大致等于单银的基底和顶层的总厚度。低e堆叠可以被集成到TPV或TLSC装置堆叠中，但是以不同的方式集成。在TPV的情况下(参见，例如图2的TPV 200)，可以协同地利用低e堆叠来代替顶部透明电极并且同时用作导电透明电极(由于薄金属的存在)和低e层。在这种情况下，随着Ag厚度的增加，电极的电阻和光学透射率分别增加和减小，使得存在最佳的Ag厚度(例如，5nm、7nm、10nm或12nm)。在TLSC的情况下(参见，例如图3A至图3B的TLSC 300)，低e堆叠可以单片地涂覆在波导的背侧上或多片地(polylithically)集成。
如本文所使用的，“透射雾度”意指漫透射率(即，在装置中散射但仍透射通过的光的量)除以总透射率(即，通过的光的总量，无论是否散射)。太阳能面板可以具有小于或等于约100％(例如，小于或等于约90％、小于或等于约80％、小于或等于约70％、小于或等于约60％、小于或等于约50％、小于或等于约40％、小于或等于约30％、小于或等于约20％、小于或等于约10％、小于或等于约5％、小于或等于约2％、或者小于或等于约1％)的透射雾度，包括约20％、约18％、约16％、约14％、约12％、约10％、约8％、约6％、约4％、约2％、约1％和更小的雾度。太阳能面板可以基本上没有雾度。如本文所使用的，术语“基本上没有雾度”意指装置具有小于或等于约20％的雾度。面板可以具有或基本上没有可见、平均可见或PAR雾度。
如本文所使用的，显色指数(CRI)是可感知可见光的范围。随后利用CRI来确定可见透明太阳能电池的美学极限。具体地，CRI是用于评估照明系统的品质的定量量度，并且可以用于评估窗的水平或可感知的颜色着色。根据以下，基于理想的透射曲线(阶跃函数)结合国际照明委员会(CIE)1976三维均匀颜色空间(CIELUV)、CIE 1974测试颜色样本以及在必要时对色适应的校正(非普朗克轨迹)来计算CRI：
其中，ΔLi*、Δui*和Δvi*是用固定参考太阳光谱(AM1.5G)和透射源(T(λ)·AM1.5(λ))“照明”的每个颜色样本i(总共8个)之间的亮度(L*)和色度坐标(u*，v*)的差。CRI和AVT在Lunt的“Theoretical Limits for Visially Transparent Photovolacics.”Appl.Phys.Lett.,101,043902(2012)中详细描述，其全部内容通过引用并入本文。
在至少一个示例实施方式中，太阳能面板可以具有大于或等于约80(例如，大于或等于约85、大于或等于约90、或大于或等于约95)的CRI，参考空气质量1.5总体(AM 1.5G)太阳光谱或PAR光谱。因此，在至少一个示例实施方式中，太阳能电池是可见透明或植物透明的，使得当观察者通过太阳能电池观察时，太阳能电池的相对侧上的对象基本上(或完全)以其自然“颜色”呈现并且基本上没有色调或雾度。也可以将照明委员会(CIE)光利用效率(LUE)颜色度量用作CRI的替代。
功率转换效率(PCE)源自电流密度(J)-电压(V)曲线，并且具体地，源自所生成的电功率除以入射太阳能功率。在至少一个示例实施方式中，太阳能面板具有大于或等于约0.3％(例如，大于或等于约0.5％、大于或等于约0.6％、大于或等于约0.65％、大于或等于约0.7％、大于或等于约0.75％、大于或等于约0.8％、大于或等于约0.9％、大于或等于约1％、大于或等于约1.5％、大于或等于约2.0％、大于或等于约3％、大于或等于约4％、大于或等于约5％、大于或等于约6％、或者大于或等于约7％、大于或等于约8％、大于或等于约9％、或者大于或等于约10％)的PCE。
在至少一个示例实施方式中，单个太阳能面板的表面积可以大于或等于约0.01m2(例如，大于或等于约0.05m2、大于或等于约0.1m2、大于或等于约0.5m2、大于或等于约1m2、大于或等于约1.5m2、或者大于或等于约5m2)。太阳能电池面积可以小于或等于约10m2(例如，小于或等于约5m2、小于或等于约2m2、小于或等于约1m2、小于或等于约0.5m2、小于或等于约0.1m2、或者小于或等于约0.05m2)。
如本文中所使用的，外部量子效率(EQE)是将特定波长的光子转换为电子的效率。在至少一个示例实施方式中，EQE可以大于或等于约1％(例如，大于或等于约1.5％、大于或等于约2％、大于或等于约2.5％、大于或等于约3％、大于或等于约3.5％、大于或等于约4％、大于或等于约4.5％、大于或等于约5％、大于或等于约6％、大于或等于约7％、大于或等于约10％、大于或等于约20％、大于或等于约30％、大于或等于约40％、大于或等于约50％、大于或等于约60％、大于或等于约70％、大于或等于约80％、或者大于或等于约90％)。EQE可以小于或等于约95％。
传统上，LUE或光利用因子是PCE和AVT的乘积。它是光谱用于光透射和发电两者的良好程度的度量。此处，我们将LUE*限定为PCE乘以APT(而不是AVT)，使得它是光谱用于植物生长和发电两者的良好程度的度量。LUE*可以大于或等于约0.5(例如，大于或等于约0.7、大于或等于约1、大于或等于约1.5、大于或等于约2、大于或等于约3、大于或等于约4、大于或等于约5、大于或等于约6、大于或等于约7、大于或等于约8、大于或等于约9、或者大于或等于约10)。LUE*可以小于或等于约10(例如，小于或等于约9、小于或等于约8、小于或等于约7、小于或等于约6、小于或等于约5、小于或等于约4、小于或等于约3、小于或等于约2、或者小于或等于约1)。
本文所描述的太阳能电池可以具有由CIE限定的L*a*b*颜色空间，即CIELAB颜色空间，其基本上为白色。更具体地，太阳能电池表现出小于或等于约25(例如，小于或等于约20、小于或等于约15、小于或等于约10、或者小于或等于约5)的|a*|和|b*|值以及大于或等于约10(例如，大于或等于约25、大于或等于约50、大于或等于约75、或者大于或等于约95)的L*值，包括约100、约95、约90、约85、约80、约75、约70、约65、约60、约55、约50、约45、约40、约35、约30、约25、约20、约15、以及约10的L*值。更具体地，太阳能电池表现出小于或等于约25(例如，小于或等于约20、小于或等于约15、小于或等于约10、小于或等于约5、或者小于或等于约3)的sqrt(|a*|2+|b*|2)值。
如上所述，在至少一个示例实施方式中，太阳能面板被配置成将光透射至光合生物体。如本文中所使用的，光合生物体是受益于阳光的生物体，例如能够捕获太阳能并将其用于生产有机化合物的生物体。例如，光合生物体可以包括植物、细菌、原生生物(例如藻类和眼虫属)、珊瑚或其任何组合。植物可以包括为其叶和茎而培养的植物(被称为叶类植物(例如，罗勒))、为其花而培养的植物(被称为开花植物(例如，矮牵牛))、为其果实而培养的植物(被称为结果植物(例如，番茄、大豆))、谷物(例如，小麦、玉米)、饲料作物(例如，苜蓿)或其任何组合。一些作物可能属于上述组中的一个以上。通过示例的方式，适于使用针对生长而优化的太阳能面板进行生长的植物可以包括水稻、玉米、小麦、大豆、马铃薯、番茄、甘蔗、葡萄、棉花、苹果、洋葱、黄瓜、大蒜、香蕉、油棕榈、西瓜、芒果、山竹、番石榴、落花生、辣椒、胡椒、甘薯、大麦、橙、茄子(eggplant)、橄榄、向日葵、橘子(tangerine)、柑橘(mandarin)、克莱门氏小柑橘、无核小蜜橘、甘蓝、菠菜、草莓、桃子、油桃、烟草、大麻、咖啡、生菜、菊苣、橡胶植物、茶、豌豆、豇豆、高粱、小米、燕麦、黑麦、荞麦、藜麦、木薯、甜菜、菜籽、豆、花生、山药、椰子、车前草、梨、樱桃、菠萝、柠檬、酸橙、木瓜、李子、葡萄柚、柚子、枣(date)、鳄梨、杏、猕猴桃、蔓越莓、蓝莓、无花果、加仑(currant)、醋栗、覆盆子、黑莓、茄子(aubergine)、胡萝卜、白萝卜、花椰菜、西兰花、芦笋、蘑菇、松露、韭菜、洋蓟、芋头、秋葵、鹰嘴豆、木豆(pigeon pea)、四季豆(string bean)、蚕豆、青豆(green bean)、干豆、柿子、腰果苹果(cashew apple)、醋栗、亚麻籽、可可豆、姜、菊苣、腰果、胡桃、杏仁、栗子、榛子、开心果、竹子、大白菜、羽衣甘蓝、莳萝、扁豆、绿豆(mung bean)、罗望子、黑椒、丁香、榴莲、西米棕榈、姜黄、罗勒、亚麻、大枣(jujube)、红菊苣(radicchio)、红花、芝麻、土耳其榛子、苜蓿、茴香、山楂、石榴、南瓜、南瓜属(squash)、榅桲、藏红花、芹菜、细叶芹、莴苣菜(endive)、啤酒花、薰衣草、荷兰芹、薄荷、大黄(rhubarb)、迷迭香、芜菁甘蓝(rutabaga)、鼠尾草、酸模(sorrel)、百里香、黑眼豆、兵豆、苔麸、苋菜(amaranth)、竹芋、仙人掌梨、龙舌兰属(agave)、佛手瓜、樱桃番茄、巧克力、土荆芥、绿果(green sapote)、利马豆、太匮龙舌兰(Tequila)、番荔枝、百香果、桃棕榈、茄瓜、巴西坚果、甜瓜、球芽甘蓝、仙人掌、甘蓝菜(collard greens)、芥菜、瑞士甜菜(瑞士甜菜)、芽菜(sprouts)、天竺葵、秋海棠、凤仙花属、矮牵牛、三色堇、甜豌豆、金鱼草、半边莲、蓍草、蜀葵、莲子草属、庭荠、银莲花、耧斗菜、海石竹、艾属(artemesia)、蝴蝶草(butterfly weed)、紫菀属、岩生庭荠属、风铃草属、美人蕉属、青葙属、红缬草、菊花、金鸡菊、露子花属、飞燕草、石竹属、毛地黄、雪叶莲、紫锥菊、蓝刺头(globe thistle)、糖芥属、一品红、观赏草(ornamental grass)、天人菊属、山桃草属、非洲菊、水杨梅属、蜡菊属、珊瑚钟、木槿、金丝桃属、春雪片莲、雏菊、洋桔梗、狼尾草(ornamental millet)、蜜蜂香脂草、月见草、牛至、罂粟、钓钟柳、五星花属、草夹竹桃属、气球花、百合、报春花、黄雏菊属、玉簪属、山萝卜属、景天属、紫罗兰、艾菊、婆婆纳属、长春花、堇菜属、荚蒾属、绣线菊属、紫茎属、枫树、牡丹、木兰、绣球花属、鸢尾属、紫荆属、醉蝶花属、雪松、鞘蕊花属、淫羊藿属、唐棣、藜芦、佛塞纪木属、金缕梅、葱属、玫瑰、杜鹃花、映山红、俄罗斯鼠尾草、紫杉、马缨丹属、番红花、金盏花、大戟属、小花矮牵牛、马鞭草、草海桐属、黄花菜、瓜叶菊、天芥菜属、沟酸浆属、龙面花、百日草属、蓝眼菊、木茼蒿属、鬼针草属、紫水晶属、秋英属、杂色菊属、旱金莲属、匙叶草属、肿柄菊属、仙人掌、蝴蝶兰属、兰属、洋兰、对瓣兰属、美堇兰属、金蝶兰属、石斛兰属、花烛属、观叶植物(foliage plants)、新几内亚凤仙、蕨类植物、复活节百合、水仙花、风信子、郁金香、飘香藤属、非洲紫罗兰、酢浆草属、和平百合、茉莉、君子兰、复活节仙人掌、蟹爪仙人掌(thanksgiving cactus)、圣诞仙人掌、大岩桐、虾衣花、凤梨科植物、伽蓝菜属、仙客来、孤挺花、马蹄莲、大丽花属或其任何组合。
如本文中所使用的，作物产量意指每单位面积的作物生物质。在至少一个示例实施方式中，在由太阳能面板透射的第一波长范围内的光下生长的植物的作物产量与在其他相同条件下在全光谱光下生长的植物相比，降低小于或等于50％(例如，小于或等于约45％、小于或等于约40％、小于或等于约35％、小于或等于约30％、小于或等于约25％、小于或等于约20％、小于或等于约15％、小于或等于约10％、或者小于或等于约5％)。
图2中示出根据至少一个示例实施方式的TPV 200。TPV 200通常包括第一电极202、第二电极204以及在第一电极202与第二电极204之间的活性层206。在至少一个示例实施方式中，第一电极202以及第二电极204中的一者或两者可以设置在透明基板208上。在至少一个示例实施方式中，第一电极202可以被定位在透明基板208上并且包含充当电极的材料，使得基板和电极在视觉上不可区分(未示出)。
TPV 200(例如，接收直接光的表面与透射光的表面之间的整个TPV200)可以具有上述任何特性，包括但不限于APT、DLI、eDLI、YPFD、基本上吸收波长、最大峰吸收处的波长、截止波长、蓝光透明度、绿光透明度、红光透明度、远红光透明度、SHGC、透射雾度、CRI、PCE和/或LUE*。另外地，TPV 200可以用于以以上作物产量将光透射至以上列出的任何光合生物体。
活性层206包括波长选择性光吸收材料。波长选择性光吸收材料可以是电子供体或电子受体。在至少一个示例实施方式中，TPV 200可以包括多于一个活性层206。波长选择性光吸收材料和TPV装置200被配置成将促进活生物体(诸如植物)的增加的生长和/或产量的光透射。
在至少一个示例实施方式中，波长选择性光吸收材料是聚合物、非富勒烯受体(NFA)或者聚合物和NFA两者。通过示例的方式，聚合物可以包括D18、DPP2T(DT-PDPP2T-TT)、DPP-DTT、J52、PBDB-T、PBDB-T-2Cl、PBDB-T-2F、PBDD4T、PBDD4T-2F、PBDTT-DPP、PBDTTPD、PBDTTT-C-T、PBDTTTPD、PCDTBT、PDBD-T-SF、PDPP3T、PDPP4T、PDPP4T-2F、PffBT4T-2OD、PffBT4T-C9C13、PJ71、PMDPP3TPDBT-共聚-TT、PTB7和/或PTB7-Th(PCE10)或其任何组合。通过示例的方式，NFA可以包括6TIC、BODIPYBTP-4Cl-12、BTP-4F-12(Y6-BO)、BTP-eC9、COi8DFIC(O6T-4F)、COTIC-4Cl、COTIC-4F、DTY6、eC9-2Cl、FBR、IDIC-4F、IDT-2Br、IEICO-4Cl、IEICO-4F、IHIC、IO-4Cl、ITIC、ITIC-2F、ITIC-4Cl、ITIC-4F、ITIC-M、ITIC-Th、L8-BO、L8-BO-F、N3、o-IDTBR、TPT-10、TPT10-C8C12、Y6(BTP-4F)、Y7、ZY-4Cl或其任何组合。
在至少一个示例实施方式中，波长选择性光吸收材料包括如在于2020年7月7日提交的Lunt等人的题为“UV Harvesting Transparent Photovoltaics”的美国专利申请公开第2020/0343053号(其全部内容通过引用并入本文)中所描述的材料。在至少一个示例实施方式中，波长选择性光吸收材料是金属卤化物、金属氮化物、金属硫化物、金属硒化物、金属碲化物、其合金或其组合。金属卤化物可以包括PbI2、PbCl2、PbBr2、PbIXBr(1-X)、PbIXCl(1-X)、PbBrXCl(1-X)、SnI2、SnCl2、SnBr2、SnIXBr(1-X)、SnIXCl(1-X)、SnBrXCl(1-X)、GeI2、GeCl2、GeBr2、GeIXBr(1-X)、GeIXCl(1-X)、GeBrXCl(1-X)、InI3、InCl3、InBr3、TiI3、TiCl3、TiBr3、GaI3、GaBr3、GaCl3、AlCl3、AlBr3、AlI3、A2TiI6、A2TiCl6、以及A2TiBr6，其中A是碱金属(Li、Na、K、Rb、Cs或其任何组合)、有机阳离子(甲基铵(MA)、甲脒(FA)、乙二铵(EA)、异丙铵、二甲基铵、胍哌啶吡啶吡咯烷咪唑叔丁基铵或其任何组合)或其任何组合；金属氮化物包括In(X)Ga(1-X)N和In(X)Al(1-X)N中的至少一者；金属硫化物包括ZnS(X)Se(1-X)；金属硒化物包括ZnSe、ZnO(X)Se(1-X)和Zn(X)Mg(1-X)Se中的至少一者；以及金属碲化物包括Zn(X)Mg(1-X)Te和BeSe(X)Te(1-X)中的至少一者，其中，对于所有以上式，0≤x≤1。在至少一个示例实施方式中，波长选择性光吸收材料包括In(X)Ga(1-X)N(0.05≤x≤0.25)、In(X)Al(1-X)N(0.25≤x≤0.7)、ZnS(X)Se(1-X)(0.1≤x≤0.9)、Zn(X)Mg(1-X)SE(0.05≤x≤0.5)、Zn(X)Mg(1-X)Te(0.05≤x≤0.95)和BeSe(X)Te(1-X)(0.6≤x≤1)。
在至少一个示例实施方式中，波长选择性光吸收材料包括如在于2020年5月5日提交的Lunt等人的题为“Enhancing the Liftime of Organic and Organic SaltPhotovoltaics”的美国专利申请公开第2020/0303667号(其全部内容通过引用并入本文)中所描述的材料。在至少一个示例实施方式中，波长选择性光吸收材料包括中性有机分子或有机盐。在至少一个示例实施方式中，光活性中性有机分子是花青、酞菁、卟啉、噻吩、聚合物、其衍生物、或其任何组合。例如，酞菁可以包括铜酞菁和氯铝酞菁(ClAlPc)。在至少一个示例实施方式中，光活性有机盐是聚甲炔盐、花青盐、其衍生物、或其任何组合。在反离子存在下形成有机盐的合适的有机离子(相对于其衍生物为“基础离子”)的示例包括：1-丁基-2-(2-[3-[2-(1-丁基-1H-苯并[cd]吲哚-2-亚基)-亚乙基]-2-苯基-环戊-1-烯基]-乙烯基)-苯并[cd]吲哚(峰值吸光度在1024nm)、1-丁基-2-(2-[3-[2-(1-丁基-1H-苯并[cd]吲哚-2-亚基)-亚乙基]-2-氯-环己-1-烯基]-乙烯基)-苯并[cd]吲哚(峰值吸光度在1014nm)、1-丁基-2-(2-[3-[2-(1-丁基-1H-苯并[cd]吲哚-2-亚基)-亚乙基]-2-苯基-环己-1-烯基]-乙烯基)-苯并[cd]吲哚(峰值吸光度在997nm)、1-丁基-2-(2-[3-[2-(1-丁基-1H-苯并[cd]吲哚-2-亚基)-亚乙基]-2-二苯基氨基-环戊-1-烯基]-乙烯基)-苯并[cd]吲哚(峰值吸光度在996nm)、1-丁基-2-[7-(1-丁基-1H-苯并[cd]吲哚-2-亚基)-庚-1,3,5-三烯基]-苯并[cd]吲哚(峰值吸光度在973nm)、2-[2-[2-氯-3-[2-(1,3-二氢-3,3-二甲基-1-乙基-2H-苯并[e]吲哚-2-亚基)亚乙基]-1-环己烯-1-基]-乙烯基]-3,3-二甲基-1-乙基-1H-苯并[e]吲哚(“Cy+”；峰值吸光度在820nm)、N,N,N′,N′-四-(对二正丁基氨基苯基)-对苯醌-双-亚铵(峰值吸光度在1065nm)、4-[2-[2-氯-3-[(2,6-二苯基-4H-噻喃-4-亚基)亚乙基]-1-环己烯-1-基]乙烯基]-2,6-二苯基噻喃1-丁基-2-[2-[3-[(1-丁基-6-氯苯并[cd]吲哚-2(1H)-亚基)亚乙基]-2-氯-5-甲基-1-环己烯-1-基]乙烯基]-6-氯苯并[cd]吲哚1-丁基-2-[2-[3-[(1-丁基-6-氯苯并[cd]吲哚-2(1H)-亚基)亚乙基]-2-氯-1-环己烯-1-基]乙烯基]-6-氯苯并[cd]吲哚二甲基{4-[1,7,7-三(4-二甲基氨基苯基)-2,4,6-庚三烯亚基]-2,5-环己二烯-1-亚基}铵、5,5′-二氯-11-二苯基氨基-3,3′-二乙基-10,12-亚乙基硫三碳菁、2-[2-[2-氯-3-[2-(1,3-二氢-1,1,3-三甲基-2H-苯并[e]-吲哚-2-亚基)-亚乙基]-1-环己烯-1-基]-乙烯基]-1,1,3-三甲基-1H-苯并[e]吲哚2-[2-[2-氯-3-[2-(1,3-二氢-1,3,3-三甲基-2H-吲哚-2-亚基)-亚乙基]-1-环戊烯-1-基]-乙烯基]-1,3,3-三甲基-3H-吲哚2-[2-[3-[(1,3-二氢-3,3-二甲基-1-丙基-2H-吲哚-2-亚基)亚乙基]-2-(苯硫基)-1-环己烯-1-基]乙烯基]-3,3-二甲基-1-丙基吲哚1,1′,3,3,3′,3′-4,4′,5,5′-二苯并-2,2′-吲哚三碳菁高氯酸盐、 2-[2-[2-氯-3-[2-(1,3-二氢-1,3,3-三甲基-2H-吲哚-2-亚基)-亚乙基]-1-环己烯-1-基]-乙烯基]-1,3,3-三甲基-3H-吲哚3,3′-二乙基硫三碳菁、2-[[2-[2-[4-(二甲氨基)苯基]乙烯基]-6-甲基-4H-吡喃-4-亚甲基]甲基]-3-乙基、2-[7-(1,3-二氢-1,3,3-三甲基-2H-吲哚-2-亚基)-1,3,5-庚三烯基]-1,3,3-三甲基-3H-吲哚花青3(Cy3)、花青3.5(Cy3.5)、花青5(Cy5)、花青5.5(Cy5.5)、花青7(Cy7)、花青7.5(Cy7.5)、其衍生物、以及其组合。如本文中所使用的，有机离子的“衍生物”是指或包括类似于基础有机离子但包括微小变化、变型或取代(诸如例如具有不同的烷基链长度的增溶基团或者经基本上不改变带隙或电子特性的其他增溶基团取代、以及在中心甲烷位置(X,Y)用各种卤化物或配体取代)的有机离子。与有机离子形成盐的反离子(相对于其衍生物为“基础反离子”)的示例包括卤化物，例如F-、Cl-、I-和Br-；芳基硼酸盐，例如四苯基硼酸盐、四(对甲苯基)硼酸盐、四(4-联苯基)硼酸盐、四(1-咪唑基)硼酸盐、四(2-噻吩基)硼酸盐、四(4-氯苯基)硼酸盐、四(4-氟苯基)硼酸盐、四(4-叔丁基苯基)硼酸盐、四(五氟苯基)硼酸盐(TPFB)、四[3,5-双(三氟甲基)苯基]硼酸盐(TFM)、[4-[双(2,4,6-三甲基苯基)膦基]-2,3,5,6-四氟苯基]氢双(2,3,4,5,6-五氟苯基)硼酸盐、[4-二叔丁基膦基-2,3,5,6-四氟苯基]氢双(2,3,4,5,6-五氟苯基)硼酸盐； 碳硼烷、(Λ,R)-(1,1'-联萘-2,2'二醇)(双(四氯-1,2-苯二酚)磷酸盐(V))(BINPHAT)、[Δ-三(四氯-1,2-苯二酚)磷酸盐(V)](TRISPHAT)；氟锑酸盐，例如六氟锑酸盐(SbF6 -)；氟磷酸盐，例如六氟磷磷酸盐(PF6 -)；氟硼酸盐，例如四氟硼酸盐(BF4)；其衍生物；或者其任何组合。如在本文中所使用的，反离子的“衍生物”是指或包括类似于基础反离子但包括微小变化、变型或取代的反离子或阴离子，所述微小变化、变型或取代基本上不改变反离子与有机离子形成盐的能力。
在至少一个示例实施方式中，TPV 200可选地包括互补层210，该互补层210包括电子受体。互补层210可以是不同的层，如所示出的，或者可以包括在活性层206中。因此，活性层206可以包含有机光活性组分和电子受体、基本上由有机光活性组分和电子受体组成、或者由有机光活性组分和电子受体组成，或者活性层16可以包含有机光活性组分、基本上由有机光活性组分组成、或者由有机光活性组分组成。如本文中所使用的，术语“基本上由……组成”意指层可以仅包括痕量，即小于或等于约10重量％的另外的不可避免的杂质材料，其基本上不影响由电子供体(光活性组分)和电子受体的配对产生的活性(即小于约10％)。
活性层或供体层206可以限定第一厚度或供体厚度220。在至少一个示例实施方式中，第一厚度220大于或等于约3nm(例如，大于或等于约5nm、大于或等于约10nm、大于或等于约15nm、大于或等于约20nm、大于或等于约25nm、大于或等于约30nm、大于或等于约40nm、大于或等于约50nm、大于或等于约60nm、大于或等于约70nm、大于或等于约80nm、或者大于或等于约90nm)。第一厚度220可以小于或等于约100nm(例如，小于或等于约90nm、小于或等于约80nm、小于或等于约70nm、小于或等于约60nm、小于或等于约50nm、小于或等于约40nm、小于或等于约30nm、小于或等于约25nm、小于或等于约20nm、小于或等于约15nm、小于或等于约10nm、或者小于或等于约5nm)。
互补层210可以限定第二厚度或受体厚度222。在至少一个示例实施方式中，第二厚度222大于或等于约3nm(例如，大于或等于约5nm、大于或等于约10nm、大于或等于约15nm、大于或等于约20nm、大于或等于约25nm、大于或等于约30nm、大于或等于约40nm、大于或等于约50nm、大于或等于约60nm、大于或等于约70nm、大于或等于约80nm、或者大于或等于约90nm)。第二厚度222可以小于或等于约100nm(例如，小于或等于约90nm、小于或等于约80nm、小于或等于约70nm、小于或等于约60nm、小于或等于约50nm、小于或等于约40nm、小于或等于约30nm、小于或等于约25nm、小于或等于约20nm、小于或等于约15nm、小于或等于约10nm、或者小于或等于约5nm)。
TPV 200可以限定第三厚度或总厚度224。在至少一个示例实施方式中，总厚度224大于或等于约10nm(例如，大于或等于约20nm、大于或等于约30nm、大于或等于约40nm、大于或等于约50nm、大于或等于约75nm、大于或等于约125nm、大于或等于约150nm、大于或等于约175nm、大于或等于约200nm、或者大于或等于约225nm)。总厚度224可以小于或等于约250(例如，小于或等于约225nm、小于或等于约200nm、小于或等于约175nm、小于或等于约150nm、小于或等于约125nm、小于或等于约100nm、小于或等于约75nm、小于或等于约50nm、小于或等于约40nm、小于或等于约30nm、或者小于或等于约20nm)。
尽管未示出，但是在至少一个示例实施方式中，TPV还包括定位在层206、210和电极202、204中的任一者之间的一个或更多个缓冲层(未示出)。缓冲层可以阻挡激子、修改功函数或收集势垒、引起排序(ordering)或模板化(templating)、以及/或者用作光学间隔件。
在至少一个示例实施方式中，电极202、204可以包括薄金属(例如，Ag、Au、Al、和/或Cu)、铟锡氧化物(ITO)、锡氧化物、掺杂铝的锌氧化物、金属纳米管、金属纳米线(例如，Ag、Au、Al、和/或Cu)、导电低e堆叠、低e单银堆叠、低e双银堆叠、低e三银堆叠、或其任何组合。
在至少一个示例实施方式中，透明基板208可以包括玻璃、塑料(例如，聚乙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯和/或聚二甲基硅氧烷)、或其任何组合。除了波长选择性光吸收材料之外，电极202、204和可选的透明基板208还应当实现光透射，并且当集成在一起时，在至少一个示例实施方式中，整个TPV 200或装置堆叠应当示出通过整个装置的期望的波长选择性吸收或透射特性。多个TPV 200可以单片地堆叠或以其他方式堆叠以形成多功能TPV。
在至少一个示例实施方式中，另外地或替代地，TPV 200可以包括如在于2017年8月8日发布的Bulovic等人的题为“Transparent Photovoltaic Cells”的美国专利第9,728,735号、以及/或者于2020年10月27日提交的Lunt等人的题为“Flexible InorganicPerovskite Solar Cells and Room-Temperature Processing Thereof”的美国专利申请公开第2021/0233717号中所描述的材料(所有这些都通过引用整体并入本文)，其能够满足使用TPV 200将光透射至光合生物体的期望性能特性。
参照图3A，示出了根据至少一个示例实施方式的TLSC 300。TLSC 300包括波导或基板302。波导302包括接收诸如入射光的光的第一表面304和透射光的相反的第二表面306。波导302还包括边缘308。波导302包括可视透明材料。
TLSC 300(例如，接收直接光的表面与透射光的表面之间的整个TLSC 300)可以具有上述任何特性，包括但不限于APT、DLI、eDLI、YPFD、基本上吸收波长、最大峰吸收处的波长、截止波长、蓝光透明度、绿光透明度、红光透明度、远红光透明度、SHGC、透射雾度、CRI、PCE和/或LUE*。另外地，TLSC 300可以用于以以上作物产量将光透射至以上列出的任何光合生物体。
波导302与发光体或波导重定向材料310(或复数个发光体)接触，如下面更详细地描述的。发光体310可以嵌入波导302内、直接设置在波导302上、设置在波导302上的层或膜内、或其任何组合。波导302可以包括一个或更多个不同的发光体。TLSC 300可以包括多个波导302，每个波导具有相同和/或不同的发光体310。这些多个波导可以耦接至相同的PV电池或不同的PV电池(参见，例如下面描述的PV电池326)以制造多结装置。
图3B示出了TLSC 300在波导302的第一表面304上接收第一波长范围320内的光和第二波长范围322内的光。发光体310吸收第二波长范围322的光的至少一部分。然而，发光体310基本上不吸收穿过波导302的第二表面306的第一波长范围320内的光。吸收的光322激发发光体310，该发光体310发射不同波长的光324，光324由波导302引导至边缘308。因此，TLSC 300收集光322，并且波导302引导从发光体310发射的光324。
发射的光324被定向至与表面304、306(例如，邻近于一个或更多个边缘308的表面304、306的一部分上)和/或边缘308中的一者或更多者连接的光伏(PV)电池326或阵列以产生电力。另外地或替代地，TLSC 300可以包括与第一表面304、第二表面306以及/或者嵌入在第一表面304与第二表面306之间的波导302中的PV电池或阵列连接。
在至少一个示例实施方式中，PV电池326包含：锗(Ge)；非晶锗(a-Ge)；镓(Ga)；砷化镓(GaAs)；硅(Si)；非晶硅(a-Si)；硅-锗(SiGe)；非晶硅-锗(a-SiGe)；镓铟磷化物(GaInP)；铜铟硒化物、铜铟硫化物或其组合(CIS)；铜铟镓硒化物、铜铟镓硫化物或其组合(CIGS)；碲化镉(CdTe)；钙钛矿(PV)，例如CH3NH3PbI3、CH3NH3PbCl3和CH3NH3PbBr3；或者其任何组合。
发光体310被配置为是波长选择性的，以将促进诸如植物的光合生物体的生长增加和/或品质改善的光透射。在至少一个示例实施方式中，TLSC 300包含这样的发光体：其主要收集没有被活生物体利用的光，并且然后将发射在近红外中的更深的光。另外地或替代地，TLSC 300可以包括这样的发光体310：其(经由下移或上转换)发射PAR光谱中的光以产生电力并由来自波导的逸出发射增强可用DLI。在至少一个示例实施方式中，发射的光中的70％至80％被引导至边缘以用于电力产生，而20％至30％可以从波导的前部/后部逸出，其对于植物可能是有用的。
在至少一个示例实施方式中，波导302是透明的。波导302可以包括玻璃、塑料(例如，聚乙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷和/或聚丙烯和/或聚氯乙烯)或其任何组合。在至少一个示例实施方式中，波导302限定厚度328大于或等于约50μm(例如，大于或等于约0.1mm、大于或等于约0.3mm、大于或等于约0.5mm、大于或等于约1mm、大于或等于约2mm、大于或等于约3mm、大于或等于约5mm、大于或等于约10mm、或者大于或等于约15mm)。厚度328可以小于或等于约20mm(例如，小于或等于约15mm、小于或等于约10mm、小于或等于约5mm、小于或等于约3mm、小于或等于约2mm、小于或等于约1mm、小于或等于约0.5mm、小于或等于约0.3mm、或者小于或等于约0.1mm)。
发光体310的组成、浓度、分子取向和/或主体相互作用也影响APT、AVT、CRI、DLI、a*b*和PCE。在至少一个示例实施方式中，发光体310包括纳米簇(NC)、花菁、花菁盐、卟啉、BODIPY、方酸菁、七甲川(heptamethine)、非富勒烯受体(NFA)、卤化物钙钛矿、量子点或其任何组合。在至少一个示例实施方式中，发光体310包括1-丁基-2-[7-(1-丁基-3,3-二甲基-1,3-二氢-吲哚-2-亚基)-七-1,3,5-三烯基]-3,3-二甲基-3H吲哚1-丁基-2-[3-(1-丁基-1H-苯并[cd]吲哚-2-亚基)-丙烯基]-苯并[cd]吲哚2-[2-[2-氯-3-[2-(1,3-二氢-1,3,3-三甲基-2H-吲哚-2-亚基)-亚乙基]-1-环己烯-1-基]-乙烯基]-1,3,3-三甲基-3H吲哚2-(2-[2-氯-3-[2-(3-乙基-1,1-二甲基-1,3-二氢-苯并[e]吲哚-2-亚基)-亚乙基]-环己-1-烯基]-乙烯基)-3-乙基-1,1-二甲基-1H-苯并[e]吲哚1-丁基-2-(2-[3-[2-(1-丁基-1H-苯并[cd]吲哚-2-亚基)-亚乙基]-2-二苯基氨基-环戊-1-烯基]-乙烯基)-苯并[cd]吲哚2-[2-[2-氯-3-[2-[1,3-二氢-3,3-二甲基-1-(4-磺丁基)-2H-吲哚-2-亚基]-亚乙基]-1-环己烯-1-基]-乙烯基]-3,3-二甲基-1-(4-磺丁基)-3H吲哚COi8DFIC；BODIPY；BODIPY衍生物；2-((E)-2-((E)-2-(二乙基氨基)-3-(2-((E)-1,3,3-三甲基吲哚啉-2-亚基)亚乙基)环己-1-烯-1基)乙烯基)-1,3,3-三甲基-3H-吲哚-1-碘化物(Cy7-NEt2-I)；2-((E)-2-((E)-2-(二乙基胺基)-3-((E)-2-(3-乙基-1,1-二甲基-1,3-二氢-2H-苯并[e]吲哚-2-亚基)亚乙基)环己-1-烯-1-基)乙烯基)-3-乙基-1,1-二甲基-1H-苯并[e]吲哚-3-碘化物(Cy7.5-NEt2-I)；六核金属卤化物纳米簇；M6X12(其中M＝Mo、Ta、Nb、W；并且例如，X＝F、Cl、Br、I)；A2M6X14(其中A＝Cs、Rb、K、Na；M＝Mo、Ta、Nb、W；并且例如X＝F、Cl、Br、I)；A2M6X8L6(其中A＝Cs、Rb、K、Na；M＝Mo、Ta、Nb、W；X＝F、Cl、Br、I；并且L＝短链脂肪酸诸如醋酸盐、丙酸盐、丁酸盐、三氟乙酸盐、氟丙酸盐和/或七氟丁酸盐)或其任何组合。
在至少一个示例实施方式中，发光体310包括于2021年1月19日提交的Lunt等人的标题为“High-Performance Near-Infrared Harvesting Transparent LuminescentSolar Concentrators”的PCT专利申请公开第WO 2021/150504号(其全部内容通过引用并入)中所述的发光体。在至少一个示例实施方式中，发光体310是非富勒烯受体(电子受体)例如噻吩、聚噻吩或其组合。噻吩和聚噻吩的示例包括2,2'-[[4,4,11,11-四(4-己基苯基)-4,11-二氢噻吩并[2',3':4,5]噻吩并[2,3-d]噻吩并[2"",3"":4"',5"']噻吩并[2"',3"':4",5"]吡喃并[2",3":4',5']噻吩并[2',3':4,5]噻吩并[3,2-b]吡喃-2,9-二基]双[次甲基(5,6-二氟)(COi8DFIC)、3,9-双(2-亚甲基-(3-(1,1-二氰基亚甲基)-二氢茚酮))-5,5,11,11-四(4-己基苯基)-二噻吩并[2,3-d:2’,3’-d’]-s-引达省并[1,2-b:5,6-b’]二噻吩)(ITIC)、2,2'-[[4,4,9,9-四(4-己基苯基)-4,9-二氢-s-引达省并[1,2-b:5,6-b']二噻吩-2,7-二基]双[[4-[(2-乙基己基)氧基]-5,2-噻吩二基]次甲基(5,6-二氟-3-氧-1H-茚-2,1(3H)-二亚基)]]双[丙二腈](IEICO-4F)、其衍生物(其改变各分子量不超过约50％并且保留各噻吩主链)、以及其组合。在至少一个示例实施方式中，发光体310是硼-二吡咯亚甲基(BODIPY)。在至少一个示例实施方式中，作为示例，BODIPY衍生物保持以下BODIPY主链：例如BOD-66、Keio Flours(KFL)、寡噻吩基-BODIPY、4,4-二氟-4-硼-3a,4a-二氮杂-s-引达省、“Z形”边缘稠合的BODIPY、氮杂-BODIPY、[a]-稠合的BODIPY、[b]-稠合的BODIPY及其组合。这些化合物可以可选地与BODIPY组合使用。在至少一个示例实施方式中，发光体310可以是噻吩、聚噻吩和BODIPY的任何组合。发光体310可以包括第一发光体和第二发光体，其中，第一发光体是噻吩或聚噻吩，以及第二发光体是BODIPY。在至少一个示例实施方式中，发光体310是发光纳米簇。在至少一个示例实施方式中，发光纳米簇可以是六核簇、八面体簇、四面体簇、Chevral簇、边缘封端的卤化物簇、金属簇或硫属化物簇。六核簇可以包括磷光金属卤化物纳米簇或磷光金属卤化物纳米簇盐。作为示例，金属卤化物或金属卤化物盐可以是M6X12、M6X12*nR、A2M6X14、A2M6X14*nR、EM6C14、EM6X14*nR、M6X8L6、A2M6X8L6、M6Y14、M6X14*nR、A4M6X18或A4M6X18*nR，其中，M表示金属，X表示卤素，A和E分别表示端子1+和2+阳离子，R表示第一配体，L表示第二配体例如丙酸盐或五氟丙酸盐，以及n为零与M+X之间的值。M为Mo、W、Cr、Mn、To、Re、Cu、Ti、V、Ta、Nb、Sn、Zn、Zr或Ga；X为F、Cl、Br、I、At或其混合物；以及A为FT、H30+、K+、Na+、Li+、Rb+、Cu+、Cs+、铵、丁基铵、四丁基铵(TBA)或NRV，其中R'独立地选自烷基或芳基，其中，R'可选地经以下中的一者或更多者取代：卤素、硝基、氰基、羟基、羟基烷基、卤代烷基、卤代烷氧基、氨基、叠氮基、羧基、氨基甲酰基、巯基、氨基磺酰基、C1-10烷基、C2-10烯基、C2-10炔基、C1-10烷氧基、C1-10烷氧基烷基、C1-10烷酰基、C1-10烷酰基氧基、N-(C1-10烷基)氨基、N,N-(Ci-io烷基)2氨基、C1-10烷酰基氨基、N-(Ci-io烷基)氨基甲酰基、N,N-(Ci-io烷基)2氨基甲酰基、C1-10烷基-S(0)a(其中a为0、1或2)、Ci-io烷氧基羰基、N-(Ci-io烷基)氨基磺酰基、N,N-(Ci-io烷基)2氨基磺酰基、H2NS(0)2NH-、N-(CI-IO烷基)NHS(0)2NH-、N,N-(Ci-io烷基)2NS(0)2NH-、芳基、芳基氧基、芳基硫基、杂芳基、杂芳基氧基、环烷基、环烷基氧基、杂环基、杂环基(C＝O)-、杂环基氧基以及杂环基硫基；L为F、Cl、Br、I、At、S、丙酸盐、五氟丙酸盐、或其混合物；E为Be2+、Mg2+、Ca2+、Sr2+、Cu2+、Ni2+、Ti2+、Ba2+、或其混合物；以及R为H2O、CH3CN或任何其他溶剂化物。在至少一个示例实施方式中，金属卤化物簇例如磷光金属(II)卤化物簇可以通过配体交换反应从母盐化合物改性。母离子通常通过M(V)X5的还原来合成，或者直接以M(II)X2的形式获得。对于基于Mo的簇，通过转化为HCl盐来纯化母化合物，其经由真空下的热处理返回M(II)X2或M(II)X12。配体交换可以在索氏提取器中进行或者通过在游离阳离子的存在下在酸性溶液中直接反应来进行，分别形成各种配合物或盐。此处合成的所选择的范围的金属卤化物配合物(水合物和盐)的特性表现出约1％至大于约70％的量子产率。许多基于胺和硫醇的配体可以通过硫醇盐和胺配位来取代在末端卤化物周围。M、X和L在以下中变化：MX2.L2、AMX2.L2、M6X12.L2、A2M6X14和A2M6X14.L2，包括M＝W、Mo，以及X＝Cl、Br、I，以及L＝Cl、CFhCN、苯硫醇、乙硫醇、H2O(水合物)、HCl、乙腈(CAN)，以及A＝K、Na、四丁基铵(TBA)和其它铵盐。此外，胺和铵盐可以容易地被锚定至聚合物链骨架以增强颗粒分离并增加量子产率。示例性磷光纳米簇包括K2MO6Cl14、TBA2M06Cl14、(H3O)2MO6Cl14及其组合。
在至少一个示例实施方式中，发光体310的浓度可以大于或等于约0.001mg/mL(例如，大于或等于约0.002mg/mL、大于或等于约0.005mg/mL、大于或等于约0.01mg/mL、大于或等于约0.05mg/mL、大于或等于约0.1mg/mL、大于或等于约0.2mg/mL、大于或等于约0.5mg/mL、大于或等于约1mg/mL、大于或等于约2mg/mL、大于或等于约5mg/mL、大于或等于约10mg/mL、大于或等于约15mg/mL、大于或等于约20mg/mL、大于或等于约30mg/mL、大于或等于约40mg/mL、或者大于或等于约50mg/m)。浓度可以小于或等于约100mg/mL(例如，小于或等于约90mg/mL、小于或等于约80mg/mL、小于或等于约70mg/mL、小于或等于约60mg/mL、小于或等于约50mg/mL、小于或等于约25mg/mL、小于或等于约10mg/mL、小于或等于约5mg/mL、小于或等于约1mg/mL、小于或等于约0.1mg/mL、或者小于或等于约0.01mg/mL)。在至少一个示例实施方式中，APT、AVT、CRI和DLI通常可以随着浓度增加而减小，其中减小速率将依赖于选择性谱收集范围。在至少一个示例实施方式中，|a*||b*|可以随着浓度而增加并且然后饱和，或者随着浓度而增加并且然后随着浓度的进一步增加而减小。
在至少一个示例实施方式中，TLSC 300可以包括如在以下中描述的材料：于2018年5月29日公布的Lunt等人的标题为“Visibly Transparent,Luminescent SolarConcentrator”的美国专利第9,985,158号；于2021年3月19日提交的Lunt等人的标题为“Transparent Luminescent Solar Concentrator”的美国申请第17/277807号；以及于2020年11月6日提交的Lunt等人的标题为“Near-Infrared Harvesting TransparentLuminescent Solar Concentrators with Engineered Stokes Shift”的美国专利申请公开第2021/0230427号，以上内容通过引用整体并入本文中。
TPV 200和/或TLSC 300可以是包括框架的装置(例如，单个装置、封装装置)和/或模块(例如，小型模块、全尺寸模块)。如本文中所使用的，模块是被串在一起以与串联(用于建立电压)和并联(用于建立电流)的电池建立电压和电流的单独装置的阵列。框架可以包括金属(例如，不锈钢、铝、阳极化铝和/或经粉末涂覆的铝)、木材或塑料(例如，聚乙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷和/或聚丙烯和/或聚氯乙烯)或其任何组合。
框架可以具有这样的颜色：该颜色促进光的散射和/或反射(针对相应的TPV 200和/或TLSC中可能的透射或吸收)，而不是促进框架对光的吸收。框架颜色可以由RGB十进制码(R,G,B)来描述，其中R是红色，G是绿色，以及B是蓝色。在至少一个示例实施方式中，R、G和B全部大于或等于约150(例如，大于或等于约170、大于或等于约180、大于或等于约190、大于或等于约200、大于或等于约210、大于或等于约220、大于或等于约230、大于或等于约240、或者大于或等于约250)。R、B、G可以各自小于或等于约255(例如，小于或等于约250、小于或等于约240、小于或等于约230、小于或等于约220、小于或等于约210、或者小于或等于约200)。在至少一个示例实施方式中，框架颜色包括RGB十进制码为(255,255,255)的白色。在至少一个示例实施方式中，框架颜色包括RBG十进制码为(192,192,192)的银色。可以独立地选择R、B、G，使得它们相同和/或不同。另外地或替代地，框架颜色可以通过CIE L*a*b*坐标来描述，其中(0,0)为白色。在至少一个示例实施方式中，a*和b*均为大于或等于-2至小于或等于2(例如，大于或等于-1.75至小于或等于1.75、大于或等于-1.5至小于或等于1.5、大于或等于-1.25至小于或等于1.25、大于或等于-1至小于或等于1、大于或等于-0.75至小于或等于0.75、大于或等于-0.5至小于或等于0.5、或者大于或等于-0.25至小于或等于0.25)。可以独立地选择a*和b*，使得它们相同或不同。
在至少一个其他示例实施方式中，框架包括PV电池。PV电池可以包含：锗(Ge)；非晶锗(a-Ge)；镓(Ga)；砷化镓(GaAs)；硅(Si)；非晶硅(a-Si)；硅-锗(SiGe)；非晶硅-锗(a-SiGe)；镓铟磷化物(GaInP)；铜铟硒化物、铜铟硫化物或其组合(CIS)；铜铟镓硒化物、铜铟镓硫化物或其组合(CIGS)；碲化镉(CdTe)；钙钛矿(PV)，例如CH3NH3PbI3、CH3NH3PbCl3和CH3NH3PbBr3；或者其任何组合。
太阳能面板(例如，TPV 200和/或TLSC 300)、包括太阳能面板的装置以及/或者包括太阳能面板的模块可以用于包括封闭结构(参见例如图4)和/或开放(未封闭)结构(参见例如图5A至图12)的结构中。通过示例的方式，封闭结构可以包括温室、植物生物栽培室、植物栽培室、环向房屋或它们的任意组合。开放系统可以包括作为独立结构的单元或阵列(参见例如图5A至图10)或者与农业设备或其他设备组合(参见例如图11A至图12)的单元或阵列。通过示例的方式，开放系统可以被定位在土地(例如，田地、牧场、农业用地)和/或水(例如，河流、湖泊、海洋、湿地)上方。
结构可以包括支撑件和/或阵列框架(参见例如图4的框架414；图5A至图5B的支撑结构504；图6A至图6B的支撑结构604；图7A至图7B的支撑结构704；图8A至图8B的支撑结构804；图9A至图9B的支撑结构904；图10的支撑结构1004；图11A至图11B的支撑结构1104；以及图12的杆1200)。在至少一个示例实施方式中，支撑件和/或阵列框架由金属构造。在至少一个示例实施方式中，用于太阳能面板、装置或模块的线可以至少部分地位于支撑件和/或阵列框架内(参见例如图12及所附讨论)。
支撑件和/或阵列框架可以具有以下颜色：该颜色促进光的散射和/或反射(针对相应的TPV 200和/或TLSC中可能的透射或吸收)，而不是促进支撑件和/或阵列框架对光的吸收。支撑件和/或阵列框架的颜色可以由RGB十进制码(R,G,B)来描述，其中，R为红色，G为绿色，以及B为蓝色。在至少一个示例实施方式中，R、G和B全部大于或等于约150(例如，大于或等于约170、大于或等于约180、大于或等于约190、大于或等于约200、大于或等于约210、大于或等于约220、大于或等于约230、大于或等于约240、或者大于或等于约250)。R、B、G可以各自小于或等于约255(例如，小于或等于约250、小于或等于约240、小于或等于约230、小于或等于约220、小于或等于约210、或者小于或等于约200)。在至少一个示例实施方式中，支撑件和/或阵列框架的颜色包括RGB十进制码为(255,255,255)的白色。在至少一个示例实施方式中，支撑件和/或阵列框架的颜色包括RBG十进制码为(192,192,192)的银色。可以独立地选择R、B、G，使得它们相同和/或不同。附加地或替选地，支撑件和/或阵列框架的颜色可以通过CIE L*a*b*坐标来描述，其中，(0,0)为白色。在至少一个示例实施方式中，a*和b*都大于或等于-2至小于或等于2(例如，大于或等于-1.75至小于或等于1.75、大于或等于-1.5至小于或等于1.5、大于或等于-1.25至小于或等于1.25、大于或等于-1至小于或等于1、大于或等于-0.75至小于或等于0.75、大于或等于-0.5至小于或等于0.5、或者大于或等于-0.25至小于或等于0.25)。可以独立地选择a*和b*，使得它们相同或不同。
在封闭结构中，太阳能面板的配置和/或取向可以按照由结构框架的设计所规定的那样被固定。在开放结构中，例如在室外田地中，PV阵列可以以任何期望的配置来部署，例如以线性阵列部署、以固定的0°或90°角度、固定的0°至90°的倾斜角度、固定的倾斜柱和/或多轴跟踪柱部署。可以通过考虑特定纬度下的太阳轨迹来优化尺寸和角度。
透明太阳能面板可以相对于表面(例如，地面)以任何期望的角度例如0°(参见例如图8A至图8B)、90°(参见例如图5A至图5B)或者0°与90°之间的任何角度例如45°(参见例如图6A至图7B以及图9A至图10)来定位。角度可以是固定的或可调节的。在至少一个示例实施方式中，角度被配置成跟踪太阳的位置(参见例如图9A至图9B)。该结构可以包括任何期望的构造，包括单个支撑件(参见例如图7A至图7B以及图9A至图9B)或多个支撑件(参见例如图5A至图6B、图8A至图8B以及图10)。太阳能面板可以是双面的(参见例如图10)。
在封闭结构和未封闭结构中，邻近的太阳能面板可以间隔开第一期望距离(或替选地，预定距离)。例如，第一距离可以促进太阳能面板之间的水渗透。在至少一个示例实施方式中，第一距离大于或等于约2mm(例如，大于或等于约5mm、大于或等于约10mm、大于或等于约25mm、大于或等于约50mm、大于或等于约75mm、大于或等于约1cm、大于或等于约2cm、大于或等于约3cm、大于或等于约4cm、大于或等于约5cm、大于或等于约6cm、大于或等于约10cm、大于或等于约15cm、或者大于或等于约20cm)。第一距离可以小于或等于约25cm(例如，小于或等于约21cm、小于或等于约15cm、小于或等于约7cm、小于或等于约6cm、小于或等于约5cm、小于或等于约4cm、小于或等于约3cm、小于或等于约2cm、小于或等于约1cm、小于或等于约75mm、小于或等于约50mm、小于或等于约25mm、小于或等于约10mm、或者小于或等于约5mm)。
邻近结构可以间隔开第二期望距离(或替选地，预定距离)(参见例如图6A至图6B)。第二距离可以通过结构之间的设备通道的纬度和/或期望间隙来确定。例如，联合收割机是在最大型号中可以高达60ft宽和12ft至15ft高的大型农业设备。因此，可以针对这些机器来优化面板间隔(第二距离)和/或框架宽度，并且给予面板间隔(第二距离)和/或框架宽度合适的缓冲，以横向地或竖直地减少或防止碰撞。在至少一个示例实施方式中，第二距离可以大于或等于约10ft(例如，大于或等于约20ft、大于或等于约30ft、大于或等于约40ft、大于或等于约50ft、大于或等于约60ft、大于或等于约70ft、大于或等于约80ft、大于或等于约90ft、或者大于或等于约100ft)。第二距离可以小于或等于约100ft(例如，小于或等于约90ft、小于或等于约80ft、小于或等于约70ft、小于或等于约60ft、小于或等于约50ft、小于或等于约40ft、小于或等于约30ft、小于或等于约20ft、或者小于或等于约10ft)。
在至少一个示例实施方式中，阵列框架的分隔可以大于或等于约10ft(例如，大于或等于约20ft、大于或等于约30ft、大于或等于约40ft、大于或等于约50ft、大于或等于约60ft、大于或等于约70ft、大于或等于约80ft、大于或等于约90ft、或者大于或等于约100ft)。在至少一个示例实施方式中，阵列框架的分隔可以小于或等于约100ft(例如，小于或等于约90ft、小于或等于约80ft、小于或等于约70ft、小于或等于约60ft、小于或等于约50ft、小于或等于约40ft、小于或等于约30ft、小于或等于约20ft、或者小于或等于约10ft)。
参照图4，示出了根据至少一个示例实施方式的结构400(例如，温室)。结构400包括侧壁402和顶部404。侧壁402和顶部404协作以至少部分地限定内部区域406。内部区域406完全封闭，使得其不包括向外部环境开放的任何部分。尽管侧壁402和顶部404被示出为平面的，但侧壁402和/或顶部404中的全部或部分可以是弯曲的。在至少一个其他示例实施方式中，结构具有形成侧部和顶部两者的圆顶或半球形形状。
侧壁402和/或顶部404中的至少一者包括透明太阳能面板410例如TPV 200(图2所示)和/或TLSC 300(图3A至图3B所示)。内部区域406被配置成包含一个或更多个光合生物体例如植物412，所述一个或更多个光合生物体可以如所示那样直接种植在地面上，或者种植在可选地放置在一个或更多个台和/或架上的容器中(未示出)。封闭结构400还包括框架414。框架414可以具有如上面所描述的用于促进光散射的颜色。
未封闭结构可以具有任何期望的高度。如图5B、图6B、图7B和图8B所示，如下面所描述的，高度被定义为地面(或水)与太阳能面板的最近边缘或点或者底部边缘或点之间的距离。在至少一个示例实施方式中，高度大于或等于约3m(例如，大于或等于约3.5m、大于或等于约4m、大于或等于约4.5m、大于或等于约5m、大于或等于约5.5m、大于或等于约6m、或者大于或等于约6.5m)。高度可以小于或等于约7m(例如，小于或等于约6.5m、小于或等于约6m、小于或等于约5.5m、小于或等于约5m、小于或等于约4.5m、小于或等于约4m、或者小于或等于约3.5m)。
参照图5A至图5B，提供了根据至少一个示例实施方式的未封闭结构或线性田地阵列500。阵列500包括多个透明太阳能面板502例如TPV 200(图2所示)和/或TLSC 300(图3A至图3B所示)。阵列500还包括支撑结构504。透明太阳能面板502被配置成将光透射至包含光合生物体例如植物508的区域506。阵列500还包括电耦接至太阳能面板502的电子组件510。在至少一个示例实施方式中，电子组件510还可以用作支撑垫。支撑结构504可以包括框架520和多个杆522。框架520和/或杆522可以具有如上面所描述的用于促进光散射的颜色。
参照图5B，阵列500可以具有在环境表面526例如地面与太阳能面板502的最近边缘或底部边缘528之间限定的高度524。在至少一个示例实施方式中，高度524在上面所描述的范围内。可以在太阳能面板502的表面530与环境表面526之间限定角度。在至少一个示例实施方式中，角度为约0°，使得太阳能面板502的表面530基本上平行于环境表面526。因此，阵列500可以被称为水平阵列。
参照图6A至图6B，提供了根据至少一个示例实施方式的未封闭结构或线性田地阵列600。阵列600包括多个透明太阳能面板602例如TPV 200(图2所示)和/或TLSC 300(图3A至图3B所示)。阵列600还包括支撑结构604。透明太阳能面板602被配置成将光透射至包含光合生物体例如植物608的区域606。阵列600还包括电耦接至太阳能面板602的电子组件610。在至少一个示例实施方式中，电子组件610还可以用作支撑垫。支撑结构604可以包括框架620和多个杆622。框架620和/或杆622可以具有如上面所描述的用于促进光散射的颜色。
参照图6B，阵列600可以具有在环境表面626例如地面与太阳能面板602的最近边缘或底部边缘628之间限定的高度524。在至少一个示例实施方式中，高度624在上面所描述的范围内。
可以在太阳能面板602的表面632与环境表面626之间限定角度630。角度630可以在0°与90°之间。在至少一个示例实施方式中，角度是固定的。在至少一个示例实施方式中，角度630大于或等于约0°(例如，大于或等于约10°、大于或等于约20°、大于或等于约30°、大于或等于约40°、大于或等于约50°、大于或等于约60°、大于或等于约70°、大于或等于约80°)。在至少一个示例实施方式中，角度630可以小于或等于约90°(例如，小于或等于约80°、小于或等于约70°、小于或等于约60°、小于或等于约50°、小于或等于约40°、小于或等于约30°、小于或等于约20°、或者小于或等于约10°)。在至少一个示例实施方式中，角度630为约45°，如所示。
在至少一个示例实施方式中，环境包括多个阵列600。每个阵列600可以与邻近阵列间隔开距离640。在至少一个示例实施方式中，距离640可以在上面所描述的第二距离范围内。邻近阵列之间的水平和竖直间隔可以相同或不同。
参照图7A至图7B，提供了根据至少一个示例实施方式的多个未封闭结构或柱组件700。柱组件700中的每一个包括多个透明太阳能面板702，例如TPV 200(图2所示)和/或TLSC 300(图3A至图3B所示)。柱组件700中的每一个还包括支撑结构704。
透明太阳能面板702被配置成将光透射至包含光合生物体例如植物708的区域706。柱组件700中的每一个还包括电耦接至太阳能面板702的电子组件710。在至少一个示例实施方式中，电子组件710还可以用作支撑垫。支撑结构704可以包括框架720和单个杆722。杆722可以位于柱组件700的中心。框架720和/或杆722可以具有如上面所描述的用于促进光散射的颜色。
参照图7B，柱组件700可以具有在环境表面726例如地面与太阳能面板702的最近边缘或底部边缘728之间限定的高度724。在至少一个示例实施方式中，高度724在上面所描述的范围内。
可以在太阳能面板702的表面732与环境表面726之间限定角度730。如上面在附有图6B的讨论中所描述的，角度730可以在0°与90°之间。如上面在附有图6B的讨论中所描述的，邻近的柱组件700可以间隔开。
参照图8A至图8B，提供了根据至少一个示例实施方式的未封闭结构或柱组件800。柱组件800包括多个透明太阳能面板802，例如TPV 200(图2所示)和/或TLSC 300(图3A至图3B所示)。柱组件800还包括支撑结构804。
透明太阳能面板802被配置成将光透射至包含光合生物体例如植物808的区域806。柱组件800还包括电耦接至太阳能面板802的电子组件810。在至少一个示例实施方式中，电子组件810还可以用作支撑垫。支撑结构804可以包括框架820和单个杆822。杆822可以位于柱组件800的中心。框架820和/或杆822可以具有如上面所描述的用于促进光散射的颜色。
参照图8B，柱组件800可以具有在环境表面826例如地面与太阳能面板802的最近边缘或底部边缘828之间限定的高度824。在至少一个示例实施方式中，高度824在上面所描述的范围内。
可以在太阳能面板802的表面832与环境表面826之间限定角度830。角度830可以为约90°，使得太阳能面板802基本垂直于环境表面826。柱组件800可以被称为竖直组件。与水平(参见例如图5A至图5B)阵列和/或倾斜(参见例如图6A至图8B)阵列相比，竖直性质可以促进改善的降雨分布、更高产量和/或品质的冬季月生产、针对农业设备的大间隔和/或更大间隙。此外，竖直阵列的使用可以将年产量平衡为在整个一年中大致恒定或均匀。
参照图9A，提供了根据至少一个示例实施方式的柱组件900。除了下面另有描述以外，柱组件900可以与图7的柱组件700相同。柱组件900通常包括：透明太阳能面板902例如TPV 200(图2所示)和/或TLSC 300(图3A至图3B所示)，以及支撑结构904。透明太阳能面板902被配置成将光透射至包含光合生物体例如植物908的区域906。
柱组件900的取向可以沿一个、两个或三个轴线进行调节。在至少一个示例实施方式中，如所示，柱组件900可绕第一轴线920、第二轴线922和第三轴线924调节。第一轴线920基本垂直于环境表面926。第二轴线922和第三轴线924基本彼此垂直并且位于由太阳能面板902的表面928所限定的平面内。在所示的示例实施方式中，在图9A中，太阳能面板902以绕第二轴线922的约45°的第一角度940设置，并且在图9B中，太阳能面板902以绕第二轴线922的约30°的第二角度942设置。
在至少一个示例实施方式中，组件900被配置成自动地跟踪太阳的位置。这样的跟踪可以被预编程以跟随一年中的每一天的预期太阳轨迹，或者基于对电力产生和取向优化的主动监视来跟随太阳。因此，与没有配备太阳能跟踪的阵列相比，其可以实现增强的电力产生。将阵列倾斜可以减少用于帮助增加光捕获所需要的面积，因此减少所需要的面板数目并降低总成本，增加降雨分布，并且允许农场设备穿过支撑件与面板之间或者支撑件和面板下方。因此，组件900还可以包括马达和控制系统(未示出)，以自动地修改组件900绕第一轴线920、第二轴线922和/或第三轴线924的取向。
参照图10，提供了根据至少一个示例实施方式的双面阵列1000。除了下面另有描述以外，双面阵列1000可以与图6的阵列600相同。双面阵列1000通常可以包括：双面透明太阳能面板1002例如图2的透明太阳能面板200和/或图3的透明太阳能面板300，以及支撑结构1004。如本文中所使用的，“双面”意指太阳能面板具有来自背侧上的照明的PCE，该PCE大于或等于来自前侧上的照明的PCE的约50％(例如，大于或等于约55％、大于或等于约60％、大于或等于约65％、大于或等于约70％、大于或等于约75％、大于或等于约80％、大于或等于约85％、大于或等于约90％、或者大于或等于约95％)。太阳能面板1002被配置成将光透射至包含光合生物体例如植物1008的区域1006。在至少一个示例实施方式中，双面透明太阳能面板1002是将使背侧收集最小化的自由低e涂层。
双面阵列1000被配置成接受第一侧或顶侧1022上的直接阳光1020和第二侧或底侧1026上的间接阳光1024(例如，太阳能反射能)。双面配置特别是在这些地面安装应用中是有益的，在这些地面安装应用中，太阳能反射能可以被面板的背侧有效地捕获，从而提高性能。本文中所公开的TPV(例如，图2的TPV 200)和TLSC(例如，图3A至图3B的TLSC 300)可以被制成并优化为双面的，以实现从两侧的高效发电。本文中所公开的组件或阵列中的任一者都可以是双面的。
至少一个示例实施方式包括集成有太阳能面板(例如，图2的TPV 200和/或图3A至图3B的TLSC)的农业设备。农业设备可以包括灌溉系统、肥料系统、播种系统、收集系统、CO2富集系统、任何其他适当的农业设备或它们的任意组合。有利地，太阳能面板可以与农业设备共享电气和/或机械基础设施。灌溉系统可以包括滴灌溉系统、地下灌溉系统、重力灌溉系统、中心枢轴灌溉系统、行进式喷灌溉系统、线性移动系统或它们的任意组合。在一些示例中，与农业设备集成的太阳能电池可以是波长选择性的。然而，农业设备可以附加地或替选地包括非波长选择性太阳能电池。
参照图11A至图11B，提供了根据至少一个示例实施方式的太阳能阵列和灌溉系统1100。除了下面另有描述以外，系统1100可以与图7A至图7B的柱组件相同。尽管系统1100被示出为单柱、固定角度组件，但是其可以具有诸如本文中所描述的任何其他合适的配置。
系统1100包括透明太阳能面板1102例如TPV 200(图2所示)或TLSC 300(图3所示)。该系统还包括支撑结构1104和灌溉系统1106。透明太阳能面板1102被配置成将光透射至包含光合生物体例如植物1110的区域1108。
在至少一个示例实施方式中，灌溉系统1106包括柔性管道1120。柔性管道1120被配置成经由导管将水从源转移至区域1108。柔性管道1120可以流体地耦接至多个喷嘴1122，所述多个喷嘴1122被配置成将水排放至区域1108中。附加地或替选地，水可以直接经由导管来输送。
在至少一个示例实施方式中，支撑结构1104包括杆1124和框架1126。在所示的示例实施方式中，柔性管道1120绕杆1124的外表面1128和框架1126的外表面1130缠绕。在至少一个其他示例实施方式中，柔性管道可以位于框架内部，如图12)。
在至少一个示例实施方式中，支撑结构1104(例如，杆1124和/或框架1126)可以至少部分地中空以包含电气服务件(布线)和/或灌溉服务件(例如，柔性管道1120)。在图11B所示的示例实施方式中，杆1124包括至少部分地限定内部区域1142的壁1140。内部区域1142可以被配置成容纳电连接至电子组件1144和太阳能面板1102的电气布线。
参照图12，提供了根据至少一个示例实施方式的用于太阳能阵列和灌溉系统的杆1200的截面。杆1200包括至少部分地限定内部区域1204的壁1202。杆1200还包括轴向的分隔件1206。分隔件1206将内部区域1202划分为第一部分1208和第二部分1210。第一部分1208和第二部分1210中的一者可以至少部分地包含电气服务件(布线)，并且第一部分1208和第二部分1210中的另一者可以至少部分地包含灌溉服务件(参见例如图11A至图11B的柔性管道1120)。
参照图13，提供了示出根据至少一个示例实施方式的经由包括一个或更多个透明太阳能面板或阵列的系统进行光伏发电的方法的流程图。该方法通常包括：在S1300处，可选地确定固定角度；在S1302处，可选地确定邻近组件之间的间隔；在S1304处，安装太阳能面板或阵列；以及在S1306处，产生电力。下面更详细地讨论了这些步骤中的每一个。该方法可以使用上述面板(图2至图3B)或组件(图4至图12)中的任一个来进行。
在S1300处，该方法可选地包括确定在太阳能面板的第一表面与区域的第二表面之间限定的固定角度。该角度可以基于纬度来确定。在至少一个示例实施方式中，该角度在将在此安装透明太阳能阵列的纬度的约20°内(例如，在约15°内、在约10°内、在约5°内、或者基本等于纬度)。
在S1302处，当系统包括多于一个透明太阳能阵列时，该方法可选地包括确定邻近阵列之间的间隔。间隔可以基于邻近装置之间期望的水渗透、装置之间的期望的设备间隙和/或中午至点期间的阴影减少或最小化来确定。
在S1304处，该方法包括安装太阳能面板，使得其将第一波长范围(区域)内的光透射至包含光合生物体的区域。在至少一个示例实施方式中，第一波长范围适合于培育光合生物体的期望特性。该区域可以是土地和/或水域。
在至少一个示例实施方式中，光合生物体是植物。在至少一个示例实施方式中，如上所述，太阳能面板被配置成将第一波长范围的光透射至植物，使得该植物与在其他相同条件下在全光谱光下生长的植物相比，作物产量降低(例如，小于或等于约10％)。
在至少一个示例实施方式中，植物是结果植物。如本文中所使用的，“结果植物”意指主要为其果实而培育的植物。太阳能面板可以被配置成具有如上所述的整体APT(例如，大于或等于约65％)。太阳能面板可以被配置成以如上所述的任何DLI(例如，大于或等于约15mol·m-2·d-1)透射光。
在至少一个示例实施方式中，植物是开花植物。如本文中所使用的，“开花植物”意指主要为其花而培育的植物。太阳能面板可以被配置成具有如上所述的整体APT(例如，大于或等于约50％)。太阳能面板可以被配置成以如上所述的任何DLI(例如，大于或等于约10mol·m-2·d-1)透射光。
在至少一个示例实施方式中，植物是多叶植物(例如，多叶绿色植物)。如本文中所使用的，“多叶植物”意指主要为其叶而培育的植物。太阳能面板可以被配置成具有如上所述的整体APT(例如，大于或等于约50％)。太阳能面板可以被配置成以如上所述的任何DLI(例如，大于或等于约10mol·m-2·d-1)透射光。
在至少一个示例实施方式中，植物是谷物。如本文中所使用的，“谷物”意指主要为其颖果而培育的植物。谷物可以是干燥收获的。太阳能面板可以被配置成具有如上所述的整体APT(例如，大于或等于约50％)。太阳能面板可以被配置成以如上所述的任何DLI(例如，大于或等于约10mol·m-2·d-1)透射光。
在至少一个示例实施方式中，植物是饲料作物。如本文中所使用的，“饲料作物”意指旨在被动物食用的植物。太阳能面板可以被配置成具有如上所述的整体APT(例如，大于或等于约45％)。太阳能面板可以被配置成以如上所述的任何DLI(例如，大于或等于约10mol·m-2·d-1)透射光。
在S1306处，该方法包括通过吸收第二波长范围内的光来产生电力。第二波长范围可以不同于第一波长范围。不同意指非同延的，但是第一和第二波长范围可以重叠。光被波长选择性光活性材料例如透明光活性材料和/或发光体吸收。
参照图14，提供了示出设计和制作透明太阳能面板的方法的流程图。该方法通常包括：在S1400处，确定用于实现光合生物体的特性的DLI；在S1402处，选择光活性材料和装置设计；在S1404处，可选地优化装置特性；在S1406处，可选地选择装置的层和材料；以及在S1408处，构造包括光活性材料的透明太阳能面板。
在S1400处，该方法包括确定用于实现光合生物体的期望特性的DLI。附加地或替选地，该方法包括确定用于实现该特性的eDLI、APT、YPFD、波长范围和/或截止波长值(cutoff)。在至少一个示例实施方式中，光合生物体是植物。实现期望特性可以包括维持和/或改善(例如，增加/最大化，或者抑制/减少/最小化)期望特性。例如，特征可以包括大的叶尺寸、高的果重、糖含量、营养、植物化学浓度、植物株型(plant architecture)、收获时间、果实数目、地上部分鲜重、展叶、茎长度、叶的叶绿素含量、干重、植物恢复力、耐旱性，或其任意组合。确定用于实现期望特性的DLI可以包括使用以上公开的范围。
在S1402处，该方法包括选择与DLI(和/或eDLI、APT、YPFD)兼容的光活性材料。也就是说，该材料应当在至少一些配置中能够实现DLI(eDLI、APT、YPFD)。选择光活性材料可以包括使用以上公开的光活性材料。
在S1404处，该方法可选地包括优化装置特性以实现期望的性能。对于TPV，例如图2的TPV 200，这些特性可以包括整个装置厚度(例如，图2中所示的第三厚度224)、给予体厚度(例如，图2中所示的第一厚度220)和/或接受体厚度222(例如，图2中所示的第二厚度222)。对于TLSC，例如图3A至图3B的TLSC 300，这些特性可以包括波导厚度、发光体浓度、分子取向和/或波导-发光体配对。
在S1406处，该方法可选地包括选择装置的层和材料以实现期望的SHGC*和/或LUE*。作为示例，材料可以包括上述的电极材料。
在S1408处，该方法包括构造包括光活性材料的透明太阳能面板(例如，图2的TPV200或图3A至图3B的TLSC 300)。
通过以下非限制性示例进一步说明本发明技术的一些实施方式。
示例1
最近已经做出努力来引入和改善PV电池的可见透明度——宽带或通过使用选择性吸收材料——以使得能够适用于更多数目的表面。我们可以在农业光伏的背景下来评价这些方法——从空间分割不透明太阳能电池到波长选择性活性材料。这是重要的区别，因为作为透明度的函数，它们提供了根本不同的理论极限，其中空间分割电池的理论极限在100％透明度下为0％，而对于波长选择性透明光伏(TPV)在100％透明度下为约21％。
图15示出了农业光伏方法的进展和前景，所述农业光伏方法包括在此示出的基于增加的透明度、以不透明的PV模块开始、以及朝向PAR透明PV装置移动的当前方法。理想地，农业光伏系统应具有高的光合有效辐射(PAR；在400nm至700nm之间的光子)透射。农业光伏的最简单实现方式是通过在作物上方或附近部署不透明的模块。可以通过改用不吸收PAR的波长选择性模块来实现更高的APT。
本示例评价了中性遮光(shading)和波长选择性遮光对三种不同且具有高度代表性且在商业上重要的植物物种的影响，所述植物物种为多叶类：烹饪草本植物罗勒(Ocimumbasilicum)；开花观赏类：矮牵牛(Petunia×hybrida)；以及结果类：番茄(Solanumlycopersicum)。重点放在NIR边缘周围，以更好地理解TPV在不影响植物生长和发育的情况下适合吸收光的位置。最终，我们示出了总DLI对不同物种的生长、产量和形态具有特别重要的影响并且加权的DLI进一步影响这些度量，表明应当进一步研究特定波长现象。本示例将有助于实现农业光伏方法的设计，以确保在多种作物类型和太阳能可用性不同的区域下与现有农业基础设施具有更大的兼容性。
农业光伏领域相对较新并且受到工程和植物科学中数个感兴趣学科的追求。各研究之间的比较具有挑战性，原因是文献中的研究方法和报告差异很大。特别是，由于入射太阳能辐射取决于地理位置和季节并且作物具有不同的光响应，报告遮荫(shade)和顶部覆盖百分比不明确且不充分。在本示例中，我们首先描述植物对DLI的响应，原因是DLI是驱动光合作用的量子单位，与作物产量和品质高度相关并且已经在大范围的温室作物中表征了响应。在更宽的电磁辐射波段上累积的辐射单位(瓦特或焦耳)对于农业光伏领域仍然是重要的，原因是它们可以更好地描述覆盖材料(BIPV面板)对植物周围微气候(例如，空气温度)或植物过程(例如，可以最终影响作物生长的蒸腾作用)的影响。
结果
七个通风室(每个的顶部面积为约0.8m2)各自覆盖有不同的实验TPV窗玻璃材料，如图16A至图16B和图17A至图17B中所示。提供了以下三种中性遮光处理以量化PAR损失对作物生产的影响：PAR透射率为91％(ND91)、58％(ND58)和33％(ND33)。参照图19A，ND91在1800处示出，ND58在1802处示出，以及ND33在1804处示出。基于设计有不同截止值的发光太阳能集中器(LSC)分子平台开发了四种波长选择性处理，以确定去除特定的波段和总DLI如何影响植物生长、发育和产量。图18B示出了NIR中的两种处理：CO700在1810处示出并且CO770在1812处示出。ND91在1800处示出以供参考。图18C示出了PAR波段中的两种处理：CO550a在1820处示出并且CO550b在1822处示出。ND91在1800处示出以供参考。
图19A至图19M描绘了罗勒、矮牵牛和番茄的选定生长属性作为通过不同窗玻璃处理透射的DLI的函数，其中图19A是图例。由于DLI与许多温室作物的植物生长和产量密切相关，因此将每个产量或品质参数绘制为平均处理DLI的函数；图20至图22中示出了回归方程。选择这些属性是因为它们对于每种作物的产量和品质是重要的并且因作物类型而异。罗勒产量反映叶和茎的生物量积累，而茎长度、叶尺寸和颜色是品质参数(图19B至图19E)。虽然量化矮牵牛的生物量积累是重要的，但是花卉栽培作物的适销性更多地来自美学品质例如茎长度(偏好紧密性)和花数目(花卉展示)(图19F至图19I)。与罗勒和矮牵牛不同，番茄产量反映了果实鲜重和数目(图19J至图19M)。
罗勒生长。测量的罗勒生长和发育参数与平均透射DLI高度相关。罗勒产量表征为每株植物的平均地上部分干重(叶加茎)。不管各处理之间的光谱透射差异如何，罗勒的产量与平均DLI之间都存在S形关系(sigmoidal relationship)(图19B，22(方程))，其中当DLI为约6至约12mol m-2d-1时，产量线性增加。当DLI超过约12mol m-2d-1时，产量没有更进一步地增加。当在ND91、CO770和CO700处理(对应于使用通常≥12mol m-2d-1的透射的DLI的处理)下生长时，罗勒产量相似(参见图23)。与ND91处理(DLI＝约20mol m-2d-1)相比，在DLI为约10至约14mol m-2d-1之间(即，CO770、CO700和CO550a)生长的罗勒具有统计学上相似的茎长度，但在基底表面处产生较少的茎节(node)和较细的茎(图19C，23)。与ND91处理相比，罗勒茎的延伸和变窄(图24)导致植物逐渐变得不那么直立，这可能对罗勒的消费者吸引力或生产便利性(即，收获和运输)产生负面影响。除了产量之外，叶形态对于罗勒培育也是重要的。与罗勒产量和茎形态相似，叶形态与处理DLI相关(图20)。当平均DLI≥12mol m-2d-1时，罗勒叶长度、宽度和总表面积是相似的，这通常发生在ND91、CO770和CO700处理中(图19D，23)。然而，罗勒的相对叶绿素含量(土壤植物分析发展或SPAD)随着任何遮光量而降低，导致叶具有较浅的绿颜色(图19E)。色素沉着减少会对罗勒产品的美学吸引力产生负面影响。总之，当DLI≥12mol m-2d-1时，不同处理下的罗勒产量在统计学上相似，但结果是茎和叶形态改变。
矮牵牛生长。矮牵牛产量被表征为每株植物的平均地上部分干重(叶加茎)，并且不管各处理之间的光谱透射差异如何，生物量与平均DLI之间都存在S形关系(图19F，21)。当DLI为约6至约12mol m-2d-1时，产量线性增加。当DLI超过约12mol m-2d-1时，产量响应处于饱和或接近饱和。因此，当透射DLI通常≥12mol m-2d-1时，当在ND91、CO770、CO700和CO550a处理下生长时，矮牵牛产量相似(图25)。虽然地上部分生物量(shoot biomass)对于花卉栽培作物并不是无关紧要的，但是多花性(floriferousness)、开花时间和整体冠层尺寸在作物适销性方面可以具有更大的作用。与ND91处理(DLI＝约20mol m-2d-1)相比，在DLI>13molm-2d-1(即，CO770和CO700)下生长的矮牵牛具有统计学上相似的中心茎长度(图19G，21)。如图24中所示，当DLI<13mol m-2d-1时，顶端优势以剂量依赖性方式增加，以至于在最低DLI处理(CO550b，DLI＝约7mol m-2d-1)中侧分枝被完全抑制。与ND91处理相比，在DLI为约10至约20mol m m-2d-1的处理下，矮牵牛侧支长度在统计学上相似，但是在CO550a(DLI＝12.8molm-2d-1)处理下，矮牵牛侧支明显更长。这表明从透射中去除许多蓝色和绿色光子的CO550a波长选择性材料增加了延伸生长。然而，CO550a处理没有相对增加叶面积，并且接受约12至20mol m-2d-1DLI的矮牵牛具有统计学上相似的单叶尺寸(图19I)。在全都具有平均DLI>7mol m-2d-1的ND91、ND58、CO770、CO700和CO550a处理中，矮牵牛在移植之后首次开花的时间在统计学上相似(图25)。当DLI≤7mol m-2d-1时，矮牵牛开花比在ND91处理中的那些晚约3天。当DLI<12mol m-2d-1时，矮牵牛产生较少的总花朵(图19H)。
番茄生长。作为结果作物，番茄通常比罗勒或矮牵牛具更较长的生产时间。番茄产量表征为在单次破坏性收获时每株植物所有果实(成熟和未成熟)的总鲜重。虽然罗勒和矮牵牛的大多数生长参数被充分描述为DLI的S形函数，但是番茄产量随着DLI线性增加并且从未接近上渐近线(图26)。这表明PAR透射的任何降低均对产量产生负面影响，并且甚至具有最高PAR透射的面板(CO770和CO700)的产量比ND91处理低25％和37％(图19J)。在这三种处理中，总果实数和果实干重相似，表明DLI的减少使果实尺寸减小、延迟果实成熟或这二者(图19L)。因此，CO770和CO700处理中的番茄在收获时的成熟果实分别比ND91处理少52％和74％(图19J)。番茄叶形态不受平均DLI或特定吸收带宽的影响。然而，随着DLI的减小，番茄茎长度增加且茎直径减小(图19K，24)。因此，番茄在低DLI条件下需要物理支撑以保持直立。对于全都具有平均DLI≥6mol m-2d-1的ND91、ND58、CO770、CO700和CO550a处理中的番茄，在移植之后首次开花的时间在统计学上相似(图26)。当DLI<6mol m-2d-1时，番茄开花比在ND91处理中的那些晚约14天。
讨论
作物生长和产量。作物产量(每单位面积的作物生物量)和品质(例如，美学或营养密度的度量)影响园艺作物(无论是在田地或受控环境例如温室中生长的)产生的收益。虽然产量具有简单的数学定义，但是作物品质是主观的，并且可以考虑消费者对农产品的偏好以及与农产品的相互作用。示例包括使作物更易于管理、收获、运输或销售的作物营养和气味以及物理品质。理想地，农业光伏系统将对作物产量或品质没有负面影响，同时通过发电产生被动收入。设计和使用农业光伏系统的不可避免的挑战是考虑在基于植物的农业中使用的许多不同的作物和生长系统。由于每种作物，以及甚至是作物物种内的多样性均可对DLI减少和/或去除辐射波段具有特定的耐受性，因此同一土地面积的用途多样性应突出对灵活农业光伏系统的客观需要(desirability)。
为了努力实现BIPV覆盖，即将对不同作物的产量和品质具有可忽略不计的影响的覆盖的广泛农业应用，我们种植了三种经济上重要的温室作物，这些温室作物提供了主要为其叶和茎(罗勒)、花(矮牵牛)和果实(番茄)而种植的植物之间的多样性比较。一般而言，罗勒和矮牵牛在适中DLI下进行商业种植，而对于结果作物例如番茄，通常会使光照最大化。然而，在其中光照受季节性限制的区域，例如北纬或南纬＞35°，大多数商业温室种植者也无法耐受DLI的更多轻微减少，即使对于作物例如罗勒和矮牵牛也是如此。
为了进行广泛比较，将三种温室作物的相对生长参数绘制为每个处理中平均DLI的函数，如图27A至图27F中所示。这有助于就以下形态学响应方面而言对通常由温室种植者生产的三种代表性作物进行更直接的响应比较：生长和产量(图27B，其中罗勒由回归线2700和相关联的符号指示，矮牵牛以2702和相关联的符号指示，以及番茄以回归线2704和相关联的符号指示)；以及叶(图27C，其中罗勒由回归线2710和相关联的符号指示，矮牵牛以2712和相关联的符号指示，以及番茄以回归线2714和相关联的符号指示；以及图27D，其中罗勒由回归线2720和相关联的符号指示，矮牵牛以2722和相关联的符号指示，以及番茄以回归线2724和相关联的符号指示)；茎(图27E，其中罗勒由回归线2730和相关联的符号指示，矮牵牛以2732和相关联的符号指示，以及番茄以回归线2734和相关联的符号指示；以及图27F，其中罗勒由回归线2740和相关联的符号指示且番茄以回归线2744和相关联的符号指示)；以及植株(图27G，其中罗勒由回归线2750和相关联的符号指示，矮牵牛以2752和相关联的符号指示，以及番茄以回归线2754和相关联的符号指示)。三种作物通常对DLI的响应相似，但有两个明显的例外：1)罗勒和矮牵牛的相对产量接近或达到了饱和DLI，而番茄则没有；2)罗勒的茎长度随着DLI而增加直至达到饱和值，而矮牵牛和番茄的茎长度随着DLI而减少。
本示例的结果与过去农业光伏研究的结果之间的直接比较具有挑战性，原因是这些研究中的许多研究报告了实验BIPV材料的遮光因素或顶部覆盖百分比，但是实际的光照条件将取决于地理位置和一年中的时间等因素。例如，在一些研究中，在PPFD降低多达50％的PV面板下种植莴苣导致有限的产量降低。相反，另一些研究报告了在PPFD降低25％至60％的PV面板下，罗勒、菠菜、莴苣和芝麻菜的产量降低。报告共同的量子单位和DLI而不仅是量子通量的减少将有助于对研究进行比较。这些研究中的许多研究是在具有非常高的入射DLI的夏季进行的，这可导致相对小的产量损失。然而，在冬季温室条件期间，当DLI可能处于或低于10mol m-2d-1时，任何遮光均可能降低产量并且因此降低DLI可能是不可耐受的。研究之间的不一致以及太阳辐射的季节性和地理差异证明了为非结果作物提供一致的遮光耐受性的挑战。尽管如此，一项研究得出结论，作物通常可耐受多至25％的遮光，但这仍将取决于种植位置和作物。
图27B表明用于产生高品质罗勒和矮牵牛的近饱和DLI为约12mol m-2d-1，这与之前针对甜罗勒和矮牵牛以及其他花卉栽培作物包括凤仙花属(何氏凤仙(impatienswallerana))、秋海棠属(四季秋海棠(Begonia×semperflorens-cultorum))和藿香(紫花藿香蓟(Ageratum houstonianum))的研究一致。这表明可以在晚春和夏季期间将DLI降低多至40％(保持DLI≥12mol m-2d-1)的农业光伏面板用于温室系统。然而，当环境太阳能DLI较低例如在冬季和早春期间时，这些降低将对生长产生负面影响。因此，对于充当永久温室窗玻璃的BIPV面板，可接受的透射应重点考虑对于特定地理位置通常次优的季节性条件。
即使番茄不耐受适度遮光(例如，在本示例中DLI<12mol m-2d-1或减少4mol m-2d-1)但在收获时产量或成熟果实得数目没有减少(图27B)，这与之前关于番茄和其他结果作物例如辣椒(Capsicum annuum)和黄瓜(Cucumis sativus)的文献一致。此外，我们的矮生番茄品种可能比通常在DLI>20mol m-2d-1的温室中种植的相当大的未确定番茄品种更耐受较少的光照。之前观察到由于BIPV和传统遮光导致的产量降低和成熟延迟。因此，在温带地区，对于番茄和其他结果作物而言用于温室应用的BIPV面板应当增加PAR透射或使其最大化，但是在亚热带、热带以及特别是干旱区域，PAR透射的适度降低可以是可耐受的。
作物形态和品质
除了产量之外，遮光可对作物品质产生负面影响，但是这样的影响通常未在农业光伏研究中报告。与生物量积累相比，许多花卉栽培作物以及其他观赏植物的适销性和品质更多地受其外观和物理特性(例如花数目和尺寸)的影响。因此，将BIPV材料应用于温室还必须考虑作物的形态驯化、叶和花的色素沉着、分支、开花时间和多花性。在作物品质、产量和通过BIPV面板发电之间取得平衡需要全面的方法以在农业光伏系统中进行作物评估。
叶形态。对于以其营养生长销售的温室作物，叶形态、色素沉着以及(在一些情况下)气味是重要的品质属性。在某种程度上，在小于在ND91(DLI＝16至20mol m-2d-1)下的DLI下的叶表面积保持不变，原因是叶具有更大的比叶面积(specific leaf area，SLA)(即更薄的叶)。图27C示出了对于每种作物特别是对于番茄，SLA与处理DLI呈反比且线性相关。SLA增加(即以牺牲叶厚度为代价增加叶表面积)是对光截获增加的常见响应。一项研究表明，通过增加其光截获来适应遮光的某些植物物种可能更适合农业光伏系统。然而，叶的变薄可使它们在生产和收获期间更容易受到应激源(例如病原体)和物理损伤的影响。我们通过相对叶绿素含量(SPAD)测量而量化的叶色素沉着作为每种作物的平均DLI的函数而增加(图27D)。在种植的三种作物中，罗勒的品质受较低叶绿素浓度(即较浅的绿颜色)负面影响的可能性最大，因为其品质在很大程度上取决于叶外观。除了形态和颜色之外，黄酮类化合物的浓度也随DLI的降低而降低。因此，尽管罗勒、矮牵牛和番茄的叶形态和产量在DLI从约20mol m-2d-1降至约12mol m-2d-1时相似，但对植物品质的度量存在一些负面影响。
茎形态。茎形态(例如，茎长度和直径)可以影响温室作物的适销性。在大多数情况下，商业种植者努力生产分支且紧密(例如，短而粗的茎)的集装箱作物(containerizedcrop)以方便运输和装卸(handling)。减少DLI增加了番茄的茎延伸并减小了罗勒和番茄的茎直径(图27E至图27F)。罗勒和番茄植株较细且较长的茎需要物理支撑来保持直立。虽然这可能由于在商业温室生产期间绳通常提供支撑而不会影响番茄生产，但是它会降低盆栽园艺作物如罗勒的品质，或增加农作物如大豆(Glycine max)的倒伏，这些作物在没有支撑的情况下应当保持直立。计算紧密度(每单位高度的植物质量)或植物高度与植物直径的比率有助于估计单个植物在生产期间占用的空间。在所有作物物种中，紧密度随着DLI的降低而降低(即每个植株占用更多的空间)，表明在一些农业光伏系统中可能需要调整种植密度，并且这最终可影响作物产量(图27G)。对于花卉栽培作物，过度延伸生长通常是不期望的，因此在较低的DLI下的茎延伸增加和植株紧密度降低使其品质降低，或者将需要在其管理中增加植物生长抑制剂的使用。与叶形态相似，温室作物品质随着透射的DLI而降低，这突出了作物产量与品质之间存在微妙的权衡，以及对具有高PAR透射的BIPV覆盖物的客观需要。
开花和结果。商业温室观赏植物种植者努力在保持至少可接受的植物品质的同时尽可能地在最短的时间内生产作物，而结果作物种植者则寻求增加每单位面积和时间的产量或使其最大化。我们观察到，当处理DLI分别为<7mol m-2d-1和6mol m-2d-1时，矮牵牛和番茄的开花延迟。重要的是，当DLI<12mol m-2d-1时，我们开始观察到形态差异和多花性减少。本示例表明，矮牵牛和可能的其他花卉栽培作物可以耐受中等遮光而不降低产量或品质，这使得观赏植物比结果蔬菜作物更合适位于温带地区的农业光伏系统。然而，迄今为止，很少有研究关注农业光伏系统中的观赏作物。
透明农业光伏的潜在功率输出。我们首先利用APT和PAR的定义来限定具有高或最大透明度的农业光伏中TPV的上限。对于本示例，假设使用单结模块(single-junctionmodule)和完全锐截止(sharp cutoff)，其中在395nm至715nm(通过设置APT为95％得出的波长范围)之间的透射率为1，并且在该范围之外的透射率为0。对于不透明的单结模块，肖克利-奎伊瑟(Shockley-Queisser)极限为33.7％，并且对于透射在435nm至670nm之间所有光的模块为20.6％。当将范围扩大至395nm至715nm时，针对PAR的所得理论极限为17.4％，且没有来自395nm至715nm范围的贡献，这然后具有约9.5％的实际极限(假设80％的SQ电压极限、85％的最大外部量子效率和80％的填充因子)。我们在此针对标准TPV模块限定的热力学极限也等同地转化为针对可见透明发光太阳能集中器(TLSC)的极限。TLSC能够具有更高的APT值(约90％)，原因是TPV模块将受其透明电极限制使APT为约80％，然而，在PCE方面落后于TPV。
根据这些限制，我们估计了作为性能的函数的保持最大透明度和减少的或最小的植物影响的农业光伏的总潜在能量输出。在美国，受保护表面(例如玻璃和塑料温室)下用于水果、蔬菜和草本植物生产的总面积量为约1.1×107m2，以及用于花卉栽培作物生产的为7.0 107m2(针对调查的17个州)。假设该覆盖面积中的50％是永久性温室，这给出约4.0×107m2的面积。鉴于美国的年度平均入射太阳日照量是4.5kWh m-2d-1，则使用最高达计算之极限的基准效率来示出潜在年度能量输出(图28)。假设5％有效的模块，这换算成每年3TWh。虽然温室能量输出值适中，但是它可以提供重要的电力产生以满足温室运行的许多能量需求，并在高太阳通量区域产生多余的能量。随着温室的使用扩大以实现在不利于植物生长的区域中生长，这种影响可能变得越来越重要。相比之下，美国农田(包括牧场)的总面积为3.6×1012m2。农业光伏可以进一步更广泛地融入田地和农田中，特别是在提出的TPV设计方法下可以使植物生产力与电力产生之间的权衡最小化的情况下。在这种情况下，使操作设备(例如拖拉机和灌溉系统)能够根据需要发挥作用的阵列支撑结构将是重要的。事实上，这样的太阳能设施可以与灌溉系统(以及可能还有肥料和农药方案)协同并同时安装，使得PV安装系统兼作用于地下灌溉、滴灌或喷灌的导管。在理论极限下，总输出将接近1.0×106TWh(约3,500万亿英热单位，夸特)，这超过了美国所有行业(sector)的全部能量需求。估计TPV农业光伏面板可以合理地覆盖多于1％至10％的农田面积，这种情况下换算成最少为3.6 1010m2。在超过1％的农田中使用5％有效的TPV模块每年产生3,000TWh，足以满足美国电力消耗(约4,000TWh)中75％的能量，而10％的有效TPV每年将提供6,000TWh，超过整个电力消耗。将农田规模扩大至10％并利用实际可实现的10％有效的TPV，总能量输出将为60,000TWh(约200夸特)，这将是2020年美国所有来源生成总能量27,000TWh(约93夸特)的两倍多(图29)。因此，即使使用最小PAR进行太阳能收集，农业光伏发电仍然有很大的机会，从而实现高效的双重土地利用，可以为整个国家和世界供电。
结论
在本示例中，我们提出了前所未有且全面的方法来确定TPV温室窗玻璃对多样且经济上重要的温室作物的适用性。农业光伏温室系统的独特之处在于需要全年持续种植许多不同的作物。目前，需要在考虑农业实践和地理位置的同时进行更全面的农业光伏研究来了解哪些材料最适用于在温室中种植的广泛范围的作物。本示例提供了新的以植物为中心的焦点，其中研究了TPV材料以减少对植物生长、生产力和产量的影响或使其最小化。
尽管PV面板光子分布通常存在显著差异，但是面板透射是作物产量和品质的最重要的预测因子。当平均DLI>12mol m-2d-1时(其对应于约35％至40％的遮光(约60％ APT))，罗勒、矮牵牛和大豆的产量和品质响应达到饱和。这表明从晚春到初秋当太阳能辐照度较高时，农业光伏系统中的草本植物和花卉栽培作物的巨大潜力。然而，即使在适度BIPV遮光下，结果作物番茄经历产量降低，并且因此甚至更强烈地期望APT>65％。将吸收峰推入较深的NIR(>750nm)中使透射的DLI增加，并且因此应减少TPV对结果作物的影响，导致生产力与单窗格玻璃(single-pane glass)的对照更类似。最后，本示例确定了农业光伏需要一致的量子单位报告以改善未来农业光伏系统(无论是基于建筑物或基于田地)的研究再现性和适用性。为不同类型的作物确定适当的APT、DLI和截止波长值是为一系列真正协同的农业光伏实施开发TPV的重要步骤。
实验
波长选择性面板(CO550b、CO700和CO770)的制备。2-[2-[2-氯-3-[(1,3-二氢-1,3,3-三甲基-2H-吲哚-2-亚基)亚乙基]-1-环己烯-1-基]-乙烯基]-1,3,3-三甲基-1H-吲哚碘化物(IR775-I，Few Chemicals)和2-[2-[2-氯-3-[2-(1,3-二氢-3,3-二甲基-1-乙基-2H-苯并[e]吲哚-2-亚基)亚乙基]-1-环己烯-1-基]-乙烯基]-3,3-二甲基-1-乙基-1H-苯并[e]吲哚碘化物(Cy-I，American Dye Source)。将Cy-I和IR775-Cl与四(五氟苯基)硼酸钾(K-TPFB)混合以产生Cy-TPFB(CO770)和IR775-TPFB(CO700)。Lumogen F Red305(CO550a)购自BASF。将染料溶解在乙醇中并与Shandon封固剂(CAS#9990435，ThermoFisher Scientific)按溶液与封固剂体积比为1:2混合。将这种混合物滴铸(drop-cast)在丙烯酸板上，并使其在通风橱中干燥6小时。将干燥的面板在氮气下转移至手套箱中。向膜的外边缘涂敷一层环氧树脂(KATIOBOND)，并在环氧树脂层顶部上放置玻璃板。将环氧树脂用UV光处理直至固化，并且在进行本示例之前将面板的活性区域用掩蔽物覆盖以减少UV暴露。
CO550b的波长选择性面板的制备：在来自Angstrom Engineering的定制热蒸发器中，通过在钨舟中蒸发粉末状的CuPC(Sigma Aldrich)在丙烯酸板上生长铜酞菁蓝(CuPC)膜。将丙烯酸板固定在旋转台上。使该膜在室温和小于3*10-6托(torr)的压力下以的速度生长至厚度为
中性密度处理的制备：中性密度灰色(Neutral Density Gray)面板购自ePlastics。将两块彼此叠放以实现ND33处理。
室构造：构造了七个室，各自被不同的发光太阳能集中器面板或ND面板覆盖。将这些室放置在研究温室的长凳上(图16A至图17B)。每个室为92cm宽、98cm长且总体积为0.66m3(图16A)。室框架由聚氯乙烯(polyvinyl chloride，PVC)管构成，并使用不透明的1.3cm厚的保温板包围垂直于基部(base)的四个侧面，以确保到达植物的光仅通过该面板。此外，我们在保温板的内部涂有平白漆(flat white paint)以增加光散射。每个实验室都通过在面朝北的墙壁上大量打孔并在面朝南的墙壁上安装一台120V、3.1m3分钟-1的风扇(Axial 1238,AC Infinity Inc.,City of Industry,CA)来持续通风，这与研究温室气流一致(图16B)。室顶部框架由钢角钢(steel angle-bar)制成，并向南倾斜20度，以增加阳光向内部植物的透射或使其最大化。
环境感测：量子传感器(LI-190SA；LI-COR,Inc.,Lincoln,NE或SQ-500；ApogeeInstruments,Inc.)测量瞬时PPFD，并位于每个室的面朝北的墙壁上，并与植物冠层顶部保持水平(图16B)。每个室的一个抽吸式热电偶(型号E；Omega Engineering,Inc.,Stamford,CT)测量空气温度。CR-1000数据记录器(Campbell Scientific,Logan,UT)和AM16/32B多路复用器(Campbell Scientific)每分钟对瞬时空气温度和PPFD测量值进行采集并记录每小时的平均值。计算并记录日平均温度和DLI)，如图30A至图30G中所示。
图30A示出了针对以下的罗勒之室日平均空气温度：在3000处的ND91、在3002处的ND58、在3004处的ND33、在3006处的CO770、在3008处的CO700、在3010处的CO550a和在3012处的CO550b。图30B示出了针对以下的矮牵牛之室日平均空气温度：在3020处的ND91、在3022处的ND58、在3024处的ND33、在3026处的CO770、在3028处的CO700、在3030处的CO550a和在3032处的CO550b。图30C示出了针对以下的番茄之室日平均空气温度：在3040处的ND91、在3042处的ND58、在3044处的ND33、在3046处的CO770、在3048处的CO700、在3050处的CO550a和在3052处的CO550b。图30D是图30E至图30F的图例。图30E示出了罗勒室中的DLI。图30F示出了矮牵牛室中的DLI。图30G示出了番茄室中的DLI。
温室环境：每个室均位于密歇根州立大学(Michigan State University)(42.7°N/84.5°W)东西向涂釉玻璃(glass-glazed)研究温室内，位于单独的铝制长凳上。温室环境控制系统(Integro 725；Priva North America,Vineland Station,ON,Canada)将空气温度调节在21℃的设定点处。辐射蒸汽加热、顶部通风口、排气扇和蒸发冷却垫调节空气温度。对于罗勒、矮牵牛和番茄，实验室内的平均空气温度分别为25℃、27℃和24℃，而每个室之间的空气温度差异变化最大为2℃(图30A至图30C，41)。
罗勒幼苗培养：将罗勒种子(Johnny's Selected Seeds,Winslow,ME)直接播种在填充有由70％泥炭苔、21％珍珠岩和9％蛭石(Suremix；Michigan Grower Products,Inc.,Galesburg,MI)组成的温室介质的圆形4英寸盆(473mL)中，并于2020年5月12日放置在实验室内。每个4英寸盆包含有7株罗勒植株。根据需要使用由补充有13N-1.3P-12.5K水溶性肥料的反渗透水组成的溶液提供灌溉，所述水溶性肥料含有(以mg·L-1计)125N、13P、120K、77Ca、19Mg、1.7Fe、0.4Cu和Zn、0.8Mn、0.2B和Mo(MSU Orchid RO Water Special；GreenCare Fertilizers,Inc.,Kankakee,IL)。
牵牛花和番茄幼苗培养：在2020年5月29日在受控环境生长室内将矮牵牛种子(Harris Seeds Co.,Rochester,NY)播种在288孔(单个孔体积8-mL)的穴盘(plug tray)中，该穴盘中填充有由以下组成的繁殖混合物：按体积计50％的蛭石和50％的之前提及的温室介质(Suremix；Michigan Grower Products,Inc.)。在2020年7月13日在同一生长室中将矮化品种的番茄种子(Park Seed Co.,Hodges,SC)播种在128孔(单个孔体积17.5-mL)的穴盘中，该穴盘填充有与矮牵牛相同的繁殖混合物。矮牵牛和番茄分别在10小时和18小时的光周期下、在恒定的23℃和175μmol m-2s-1的PPFD下萌发。用白色发光二极管(light-emitting diode，LED)灯具(RAY22；Fluence,Austin,TX)提供唯一的电气照明来源。透明塑料湿度圆顶覆盖正在萌发的幼苗，直至子叶出现(6天)。根据需要用提供以下营养物(以mgL-1计)的去离子水、水培水溶性肥料(12N-1.7P-13.3KRO Hydro FeED,JR Peters,Inc,Allentown,PA)和硫酸镁(泻盐(Epsom salt),Pennington Seed Inc.,Madison GA)的溶液对幼苗进行灌溉：125N、18P、138K、73Ca、49Mg、37S、1.6Fe、0.5Mn、0.4Zn、0.2B和Cu、以及0.01Mo。在配制时用手持仪(HI9814；Hanna Instruments,Woonsocket,RI)测量幼苗储备溶液pH和电导率，并将其调节至pH为5.8和电导率为1.2mS cm-1。
成熟作物培养：将10盆罗勒、矮牵牛、番茄和大豆以每平方米10盆(10pots m-2)的密度随机放置在每个室中直至准备收获。每个盆填充有与针对罗勒幼苗培养所述的相同的基于泥炭的温室介质。使罗勒在室内生长35天，直至2020年6月16日收获。在2020年6月20日将矮牵牛移植到4.5英寸圆盆中，并在室内生长直至2020年7月21日(31天)，此时所有植株至少具有一朵完全开放的花。在2020年7月30日将番茄幼苗移植到4.5英寸圆盆中。当番茄幼苗发育出良好的根系时(17天)，将其移植到实验室内并在实验室内生长75天，直至在2020年10月13日收获，此时ND91室中的植株具有成熟的果实。根据需要用与在罗勒幼苗培养中所述的相同溶液对罗勒、矮牵牛和番茄进行灌溉。
植物数据收集：在收获时测量罗勒、矮牵牛和番茄的以下数据：茎长度(从基质(substrate)至顶端分生组织)；鲜地上部分生物量和干地上部分生物量，使用天平(GR-200和GX-1000；A&D Store,Inc.,Wood Dale,IL)；最嫩完全展开叶的长度、宽度、面积和相对叶绿素含量，使用尺子、叶面积仪(LI-3100面积仪；LI-COR,Inc.)；以及相对叶绿素含量，使用手持仪(MC-100；Apogee Instruments,Inc.,Logan,UT)。在测量干重之前，在干燥箱(BlueM,Blue Island,IL)中在60℃下在羊皮纸袋中将罗勒、矮牵牛和番茄新鲜样品干燥至少四天。除了针对两种物种进行测量之外，还针对罗勒、矮牵牛和番茄进行独立测量。对于罗勒，我们还测量了展开的叶、展开的茎节和>5cm长的分支的总数；所有展开的叶的总叶面积；基质水平处的茎直径，使用数字卡尺(41101DigiMax；Wiha Switzerland,Monticello,MN,USA)；以及仅叶或茎的鲜重和干重。由于每个罗勒盆包含七株植株，我们从每个盆中选择出排除了两株最高和两株最矮植株的三株植株，并对它们的生长度量进行了平均。对于矮牵牛，我们对自种子播种起到观察到花蕾(bud)和开花的时间，>10cm的分支、花序和第一朵花下的茎节的数目进行计数；并测量最长的侧枝。对于番茄，我们还测量了果实数目(成熟和不成熟的)；果实鲜重和干重；以及第一朵花具有完全反折的花瓣的日期。根据Burnett等人，通过最嫩的完全展开的叶的面积除以其干重计算SLA，并通过其地上部分干重(对于番茄不包括果实)除以其茎长度计算植物紧密度。用俯视图照片记录每株番茄植株的二维投影冠层面积(PCA)，并在ImageJ软件(http://imagej.nih.gov/ij)中进行分析。
实验设计和统计：实验采用其中处理(7个水平)和植物被分配至研究温室内的随机室(实验单元)的完全随机化设计。在R软件(4.0.3版,The R Foundation,Vienna,Austria)中使用α＝0.05的Tukey真实显著性差异检验和方差分析(ANOVA)来分析数据。将罗勒和番茄生长参数(即，干重、茎长度或叶面积)作为平均DLI的函数进行比较的回归分析首先被评估为线性或二次函数，但趋势通常呈现S形，其中使用以下Gompertz函数：
y＝a exp(-bcx)， (方程5)
其中，y＝响应变量(生长参数)，a＝渐近线，b＝x轴上的位移，c＝生长率，以及x＝预测变量(DLI)。Gompertz函数是其中曲线的右侧部分接近上渐近线比左侧部分接近下渐近线更缓慢的非对称逻辑斯蒂函数。过去的研究使用Gompertz函数来描述作为时间的函数的生物有机体的生长和作为累积热能和DLI的函数的植物生长响应。相对于对称逻辑斯蒂函数选择Gompertz函数，原因是曲线在视觉上更好地拟合数据并且通常具有更高的R2值。
用多种量子单位评估作物生长
为了确定另外的以植物为中心的量子单位如YPFD和eDLI预测作物生长的适用性，我们使用光谱辐射计测量转换我们的处理DLI以反映YPFD和ePAR。然后，我们将经转换的预测变量与我们的罗勒生长度量(地上部分干重、茎长度、总叶面积和相对叶绿素含量)的子集进行比较，以确定是否一个参数优选用于农业光伏报告(图32A至图32E)。
图32A是图32B至图32E的图例，包括针对每种窗玻璃材料的符号。图32B在y轴上报告地上部分干重，其中在3200处示出DLI曲线，在3202处示出eDLI曲线，以及在3204处示出YPFD曲线。图32C在y轴上报告总叶面积，其中在3210处示出DLI曲线，在3212处示出eDLI曲线，以及在3214处示出YPFD曲线。图32D在y轴上报告茎长度，其中在3220处示出DLI曲线，在3222处示出eDLI曲线，以及在3224处示出YPFD曲线。图32E在y轴上报告SPAD，其中在3230处示出DLI曲线，在3232处示出eDLI曲线，以及在3234处示出YPFD曲线。
当DLI转变为YPFD时，S形曲线向较低的mol m-2d-1值移动，这是大多数PAR波长的量子效率小于1的结果。当转变为eDLI时，曲线向较高的mol m-2d-1值移动，这是从更宽波段累积光子的结果。对于选定的罗勒生长度量的整个子集，使用经转变的预测变量的每个回归具有几乎相同的S形形状和类似作为DLI预测变量发挥功能的能力。罗勒的观察到的临界照明阈值(种植产量和品质与ND91处理相似的作物所需的mol m-2d-1)的平均DLI为约12molm-2d-1。在转变之后，YPFD和eDLI的临界照明阈值分别变成约10mol m-2d-1和约14mol m-2d-1。一般而言，这些值适当地反映了YPFD的不完美量子效率(较低值)和eDLI的扩展波段积累量(较高值)。然而，x轴上的变化幅度将不可避免地取决于透射光谱和转变。例如，因为CO700处理吸收大部分FR光子，所以与不吸收FR光子的中性密度TPV(较高的变化幅度)相比，其DLI和eDLI应当更接近(较低的变化幅度)。无论如何，尽管我们的处理之间存在一定程度的转变，但由于各处理DLI之间的差异程度较大，x轴转变的影响可能被最小化。
这些结果表明，尽管在农业光伏设计中利用了光谱差异，但YPFD和eDLI与预测植物产量和生长的传统的、未加权的DLI定义相当。因此，正如Zhen和Bugbee(2020a和2020b)所说明的，使用eDLI(在400nm至750nm之间的光子积累量)作为基准量子单位对于农用光伏领域可能是有益的。然而，不管量子单位如何，这些结果均强调了在农业光伏报告中使用至少一个量子单位的必要性，但也为进一步研究最佳描述PV面板透射相对于其下生长的作物的常见量子度量留下了空间。此外，当平均面板透射更相似时，使用DLI转变(例如这些)可能更重要且更有意义。
示例2
四种作物生长在具有使用不同窗玻璃材料的顶部的室内。所述作物包括红叶莴苣(多叶植物)、金鱼草(开花植物)、大豆(结果植物)和罗勒(多叶植物)。窗玻璃材料包括ND91、CO850、CO770、CO700、ND58、CO575、CO475和ND33。在以下给出结果。
图33是包括代表在不同实验窗玻璃材料下生长的那些的红叶莴苣“Rouxai”、金鱼草“Snapshot yellow”和大豆植物照片的图。
图34是报告2021年莴苣“Rouxai”生长参数的表。SPAD是指叶的相对叶绿素含量。SLA通过代表性叶的叶面积(cm2)除以叶重(g)计算。紧密度通过总地上部分干重(g)除以茎长度(cm)计算。辐射利用效率(RUE)通过总地上部分干重(g)除以截获光子的摩尔(mol)计算。紧密度通过干重(g)除以茎长度(cm)计算。数据表示十个样品的平均值。根据Tukey真实显著性差异检验，具有不同字母的平均值是显著的(P<0.05)并且对应于每一行。
图35是报告2021年金鱼草“Snapshot yellow”的参数的表。SPAD是指叶的相对叶绿素含量。SLA通过代表性叶的叶面积(cm2)除以叶重(g)计算。紧密度通过总地上部分干重(g)除以茎长度(cm)计算。RUE通过总地上部分干重(g)除以截获光子的摩尔计算。紧密度通过干重(g)除以茎长度(cm)计算。数据表示十个样品的平均值。根据Tukey真实显著性差异检验，具有不同字母的平均值是显著的(P<0.05)并且对应于每一行。
图36是报告2021年罗勒“Genovese”生长参数的表。SPAD是指叶的相对叶绿素含量。SLA通过代表性叶的叶面积(cm2)除以叶重(g)计算。紧密度通过总地上部分干重(g)除以茎长度(cm)计算。RUE通过总地上部分干重(g)除以截获光子的摩尔计算。紧密度通过干重(g)除以茎长度(cm)计算。数据表示十个样品的平均值。根据Tukey真实显著性差异检验，具有不同字母的平均值是显著的(P<0.05)并且对应于每一行。
图37是报告在2021年期间大豆的生长参数的表。SPAD是指叶的相对叶绿素含量。SLA通过代表性叶的叶面积(cm2)除以叶重(g)计算。紧密度通过总地上部分干重(g)除以茎长度(cm)计算。RUE通过总地上部分干重(g)除以截获光子的摩尔计算。紧密度通过干重(g)除以茎长度(cm)计算。数据表示十个样品的平均值。根据Tukey真实显著性差异检验，具有不同字母的平均值是显著的(P<0.05)并且对应于每一行。
示例3
两种作物生长在具有使用不同窗玻璃材料的顶部的室内。作物包括大豆(结果植物)和罗勒(多叶植物)。窗玻璃材料包括ND91、CO850、CO770、CO700、ND58、CO575、CO475和ND33。在以下给出结果。
图38是包括代表在不同实验窗玻璃材料下生长的那些的罗勒“Genovese”和大豆植物照片的图。
图39是报告在2022年期间罗勒“Genovese”的生长的表。SLA通过代表性叶的叶面积(cm2)除以叶重(g)计算。紧密度通过总地上部分干重(g)除以茎长度(cm)计算。RUE通过总地上部分干重(g)除以截获光子的摩尔计算。紧密度通过干重(g)除以茎长度(cm)计算。数据表示二十个样品的平均值。根据Tukey真实显著性差异检验，具有不同字母的平均值是显著的(P<0.05)并且对应于每一行。
图40是报告在2022年期间大豆的生长的表。数据表示二十个样品的平均值。根据Tukey真实显著性差异检验，具有不同字母的平均值是显著的(P<0.05)并且对应于每一行。
示例1至示例3概述
图41A至图41D描绘了2020年至2022年种植的作物的相对生长响应，所述作物包括示例1的2020年作物、示例2的2021年作物和示例3的2022年作物。每个生长参数均是根据物种相对于最大观察值得出的，并且表示十个样品的平均值。图41A是图41B至图41D的图例。
参照图41B，相对产量作为DLI的函数示出。2020年作物：罗勒在4100处示出、矮牵牛在4102处示出、以及番茄在4104处示出。2021年作物：罗勒在4110处示出、大豆在4112处示出、金鱼草在4114处示出、以及莴苣在4116处示出。2022年作物：罗勒在4120处示出、以及大豆在4122处示出。相对产量是指罗勒、莴苣、金鱼草、大豆、和矮牵牛地上部分干重(叶和茎)以及番茄鲜果重。
参照图41C，相对茎长度作为DLI的函数示出。2020年作物：罗勒在4130处示出、矮牵牛在4132处示出、以及番茄在4134处示出。2021年作物：罗勒在4140处示出、大豆在4141处示出、金鱼草在4144处示出、以及莴苣在4146处示出。2022年作物：罗勒在4150处示出。自土壤表面至顶端分生组织测量茎长度。
参照图41D，相对紧密度作为DLI的函数示出。2020年作物：罗勒在4160处示出、矮牵牛在4162处示出、以及番茄在4164处示出。2021年作物：罗勒在4170处示出、大豆在4172处示出、金鱼草在4174处示出、以及莴苣在4176处示出。2022年作物：罗勒在4180处示出。紧密度通过总地上部分干重(g)除以茎长度(cm)计算。
示例4(TPV)
在该示例中，使用近红外吸收聚合物PTB7-Th和NFA IEICO-4F作为电子接受材料和电子贡献材料制造反向LBL TPV。这是与通常被认为是非富勒烯受体的NIR吸收供体IEICO-4F配对的非传统受体聚合物。
参照图42，针对具有不同厚度的装置报告APT、JSC、开路电压(VOC)、填充因子(FF)、PCE和LUE*。使用较高透明度的ITO代替Ag/Alq3电极预期将使APT增加至约65％。另外地，将PTB7-Th厚度和IEICO-4F厚度均降低至低于20nm预期将使APT增加至约75％。图43A至图43C是示出具有不同PTB7-Th厚度的TPV的特性的图。
TPV制造：将PTB7-Th(1-材料)以1mg mL-1至10mg mL-1溶解在邻二甲苯(SigmaAldrich)中，并将其覆盖、搅拌、并在70℃下加热过夜。将IEICO-4F(1-材料)溶解在75:25:0、74.25:24.75:1、73.5:24.5:2、72.75:24.25:3、72:24:4、71.25:23.75:5和70.5:23.5:6的v/v比率(以得到0％至6％[13]的1-氯萘掺杂)的邻二甲苯:正丁醇:1-氯萘(SigmaAldrich)中。然后，将IEICO-4F溶液覆盖、搅拌、并在70℃下加热过夜。使用1g二水合乙酸锌(Sigma Aldrich)、0.277mL乙醇胺(Sigma Aldrich)和10mL2-甲氧基乙醇(Sigma Aldrich)制备ZnO溶液，并将其覆盖并在通风橱中严格地搅拌过夜。
装置制造：经由在去离子水、丙酮和异丙醇中顺序地超声处理各10分钟来清洁预图案化的ITO涂覆的玻璃基板。将基板在热板上在135℃下干燥1分钟，以及然后在轻度真空下经等离子体清洁10分钟。在进行等离子体清洁之后在4000rpm下立即将ZnO层旋涂至基板上30秒(50μL，2000rpm/秒加速)。将ZnO覆盖的基板在移动至用于活性层旋涂的手套箱之前在200℃下在空气中退火20分钟。PTB7-Th膜使用65μL在1000rpm下旋转15秒并且在2000rpm下旋转5秒，以得到在5nm至85nm范围内的厚度。IEICO-4F膜在1500rpm下旋转45秒(60μL溶液)以得到近似55nm的膜(VASE)。在顺序双层沉积之后，将装置在从室温至150℃范围内的温度下退火10分钟至20分钟。然后，将基板装载至高真空热气相沉积室(AngstromEngineering)中，其中在3×10-6托下沉积7nm的MoO3。最后，使用掩模沉积Ag(不透明装置-80nm)或Ag/Alq3(TPV)的顶接触以限定4.43mm2的活性区域。对于TPV，Ag厚度在8nm至20nm的范围内，以及Alq3的厚度为0nm至50nm。
装置测试：利用Keithley 2420源表在来自Xe弧灯的照明下测量电流-电压(J-V)特性曲线，所述Xe弧灯利用NREL校准的Si参考单元以及KG5滤波器校准至1-太阳强度。针对每个条件测试最少5个装置。EQE测量使用在200Hz下切断的来自卤钨灯的单色光进行。在进行EQE测量之前，使用经Newport校准的Si二极管来校准系统。
示例5(TLSC)
将2,2’-[[4,4,11,11-四(4-己基苯基)-4,11-二氢噻吩并[2’,3’:4,5]噻吩并[2,3-d]噻吩并[2””,3””:4”’,5”’]噻吩并[2”’,3”’:4”,5”]吡喃并[2”,3”:4’,5’]噻吩并[2’,3’:4,5]噻吩并[3,2-b]吡喃-2,9-二基]双[次甲基(5,6-二氟(COi8DFIC)以列出的浓度溶解在二氯甲烷中。将纳米簇(NC)(Cs2Mo6I8(CF3CF2COO)6)、2-[2-[2-氯-3-[2-(1,3-二氢-3,3-二甲基-1-乙基-2H-苯并[e]吲哚-2-亚基)亚乙基]-1-环己烯-1-基]-乙烯基]-3,3-二甲基-1-乙基-1H-苯并[e]吲哚四(五氟苯基)硼酸盐(CyTPFB)和2-[2-[2-氯-3-[(1,3-二氢-1,3,3-三甲基-2H-吲哚-2-亚基)亚乙基]-1-环己烯-1-基]-乙烯基]-1,3,3-三甲基-1H-吲哚四(五氟苯基)硼酸盐(IR775-TPFB)盐以图44至图50D中列出的浓度溶解在乙醇中。将COi8DFIC溶液与封固剂以1:1体积比率混合，而将基于乙醇的溶液与封固剂以1:2体积比率混合。然后将混合物滴铸至硼硅酸盐玻璃基板上并使其在N2气氛下干燥。对于具有Cs2Mo6I8(CF3CF2COO)6的纳米簇装置，对包含染料膜的表面的外边缘施加环氧树脂边界，并且将另外的玻璃基板被放置在环氧树脂上。使环氧树脂被UV固化以完成密封。使用折射率匹配凝胶将光伏电池(Si或GaAs，如图44至图50D所指示的)安装至装置的一个边缘用于测试。
装置测试：利用Keithley 2420源表在来自Xe弧灯的照明下测量电流-电压(J-V)特性曲线，所述Xe弧灯利用NREL校准的Si参考单元以及KG5滤波器校准至1-太阳强度。EQE测量使用在200Hz下切断的来自卤钨灯的单色光进行。在进行EQE测量之前，使用经Newport校准的Si二极管来校准系统。
结果在图44至图50D中示出。
图50A是示出在0.075mg/mL的COi情况下对于各种浓度的NC的J-V曲线的图。在5000处示出5mg/mL下的NC、在5002处示出20mg/mL下的NC、在5004处示出40mg/mL下的NC、以及在5006处示出在5mg/mL下的NC。图50B是示出0.15mg/mL下的COi8DFIC的J-V曲线5010和0.2mg/mL下的IR775-TPFB的在5012处的J-V曲线的图。图50C是示出在0.075mg/mL下的COi情况下对于的各种浓度的NC的作为波长的函数的EQE的图。在5020处示出5mg/mL下的NC、在5022处示出20mg/mL下的NC、在5024处示出40mg/mL下的NC、以及在5026处示出5mg/mL下的NC。图50D是示出0.15mg/mL下的COi8DFIC的EQE曲线5030和0.2mg/mL下的IR775-TPFB的EQE曲线5032的图。
已经出于说明和描述的目的提供了实施方式的前述描述。这并不旨在是穷举性的或限制本公开内容。特定实施方式的单个要素或特征通常不限于该特定实施方式，而是在适用的情况下，即使没有具体示出或描述，特定实施方式的各个元件或特征也是可互换的并且可以在所选择的实施方式中使用。特定实施方式的单个要素或特征也可以以许多方式变化。这样的变化不应被视为背离本公开内容，并且所有这样的修改旨在被包括在本公开内容的范围内。

Claims (46)

1.一种透明太阳能面板，包括：
透明基板；以及
透明光活性材料，其中：
整个透明太阳能面板的平均光合透射率(APT)大于或等于约45％，并且
所述透明太阳能面板被配置成以大于或等于约10mol·m-2·d-1的日光积累量(DLI)将光透射至包含植物的区域。
2.根据权利要求1所述的透明太阳能面板，其中，所述透明太阳能面板是透明光伏(TPV)，所述TPV包括：
在所述透明基板上的第一透明电极；
所述透明光活性材料；以及
第二透明电极，其中，所述透明光活性材料在所述第一透明电极与所述第二透明电极之间。
3.根据权利要求1所述的透明太阳能面板，其中，所述透明太阳能面板是透明发光太阳能集中器(TLSC)，所述TLSC包括：
所述透明基板，所述透明基板包括：
第一表面，
与所述第一表面相对的第二表面，以及
边缘表面；以及
发光体，所述发光体被配置成吸收第一波长范围内的光并发射第二波长范围内的光，所述发光体：(i)嵌入所述透明基板中，(ii)在所述第一表面上、所述第二表面上或所述第一表面和所述第二表面两者上的层中，或者(iii)同时被配置成(i)和(ii)两者；以及
光伏装置，所述光伏装置耦接至所述边缘表面，所述光伏装置被配置成吸收所述第二波长范围内的光。
4.根据前述权利要求中任一项所述的透明太阳能面板，其中，所述透明太阳能面板具有大于或等于约65％的APT。
5.根据前述权利要求中任一项所述的透明太阳能面板，其中，所述透明太阳能面板被配置成以大于或等于约12mol·m-2·d-1的扩展日光积累量(eDLI)将光透射至所述区域。
6.根据前述权利要求中任一项所述的透明太阳能面板，其中，所述透明太阳能面板被配置成以大于或等于约9mol·m-2·d-1的有效光子通量密度(YPFD)将光透射至所述区域。
7.根据前述权利要求中任一项所述的透明太阳能面板，其中，所述透明光活性材料具有小于约450nm或大于约725nm的峰值吸光度。
8.根据前述权利要求中任一项所述的透明太阳能面板，其中，所述透明光活性材料具有700nm的截止波长。
9.根据前述权利要求中任一项所述的透明太阳能面板，其中，整个所述透明太阳能面板对470nm的波长的光是大于或等于约65％透明的。
10.根据前述权利要求中任一项所述的透明太阳能面板，其中，整个所述透明太阳能面板对530nm的波长的光是大于或等于约65％透明的。
11.根据前述权利要求中任一项所述的透明太阳能面板，其中，整个所述透明太阳能面板对500nm至550nm的所有波长的光是大于或等于约65％透明的。
12.根据前述权利要求中任一项所述的透明太阳能面板，其中，整个所述透明太阳能面板对620nm的波长的光是大于或等于约65％透明的。
13.根据前述权利要求中任一项所述的透明太阳能面板，其中，整个所述透明太阳能面板对550nm至650nm的所有波长的光是大于或等于约65％透明的。
14.根据前述权利要求中任一项所述的透明太阳能面板，其中，所述透明太阳能面板具有小于或等于约0.5的太阳能得热系数(SHGC)。
15.根据前述权利要求中任一项所述的透明太阳能面板，其中，所述透明太阳能面板具有大于或等于约0.9％的功率转换效率(PCE)。
16.根据前述权利要求中任一项所述的透明太阳能面板，其中，
所述透明太阳能面板的光利用效率(LUE*)是所述透明太阳能面板的功率转换效率(PCE)与所述透明太阳能面板的平均光合透射率(APT)的乘积；
所述LUE*大于或等于约1％。
17.根据前述权利要求中任一项所述的透明太阳能面板，其中，所述透明太阳能面板是双面的。
18.根据前述权利要求中任一项所述的透明太阳能面板，还包括：
至少部分地包围所述透明基板的框架，其中，所述框架的颜色具有以下R、G、B十进制码：
R大于或等于约150至小于或等于约255，
G大于或等于约150至小于或等于约255，以及
B大于或等于约150至小于或等于约255。
19.一种农业田地阵列，包括：
支撑结构；以及
根据前述权利要求中任一项所述的透明太阳能面板，所述透明太阳能面板耦接至所述支撑结构。
20.一种结构，包括：
侧壁；以及
顶部，其中，
所述侧壁和所述顶部中的至少一个包括根据权利要求1至18中的一项所述的透明太阳能面板，并且
所述结构完全封闭。
21.一种农业组件，包括：
一件或多件农业设备；以及
根据权利要求1至18中的一项所述的透明太阳能面板，所述透明太阳能面板耦接至所述一件或多件农业设备。
22.根据权利要求21所述的农业组件，其中，所述农业设备选自灌溉系统、肥料系统、播种系统、收集系统、CO2富集系统或它们的组合。
23.一种农业田地阵列，包括：
多个透明太阳能面板，所述多个透明太阳能面板中的每个透明太阳能面板包括：
透明基板，以及
透明光活性材料；以及
支撑结构，所述支撑结构支撑所述多个透明太阳能面板，所述多个透明太阳能面板被配置成将光透射至包含植物的田地区域，其中，所述多个透明太阳能面板中的每个透明太阳能面板的平均光合透射率(APT)大于或等于约45％。
24.根据权利要求23所述的农业田地阵列，其中，所述多个透明太阳能面板限定线性阵列。
25.根据权利要求23至24中的一项所述的农业田地阵列，其中，
所述透明基板限定平面第一表面，并且
所述平面第一表面与所述田地区域的第二表面之间的角度是固定的。
26.根据权利要求25所述的农业田地阵列，其中，所述角度为约90°。
27.根据权利要求25所述的农业田地阵列，其中，所述角度为约0°。
28.根据权利要求25所述的农业田地阵列，其中，所述角度在所述农业田地阵列被设置的纬度的约5°范围内。
29.根据权利要求23至24中的一项所述的农业田地阵列，其中，
所述透明基板限定平面第一表面，所述平面第一表面与所述田地区域的第二表面之间的角度是能够调节的，并且
所述角度被配置成跟踪太阳的位置。
30.根据权利要求23至29中的一项所述的农业田地阵列，其中，所述农业田地阵列限定在限定所述田地区域的表面与所述多个透明太阳能面板的最近边缘之间的大于或等于约4.5m的高度。
31.根据权利要求23至30中的一项所述的农业田地阵列，还包括：
包括所述支撑结构的多个支撑结构，所述多个支撑结构中的每个支撑结构包括所述多个透明太阳能面板的一部分，并且
所述多个支撑结构中的每个支撑结构与所述多个支撑结构中的其他支撑结构间隔开大于或等于约10英尺至小于或等于约100英尺的距离。
32.根据权利要求29至31中的一项所述的农业田地阵列，其中，所述多个透明太阳能面板中的每个透明太阳能面板间隔开大于或等于约2mm至小于或等于约10cm的距离。
33.一种光伏(PV)和灌溉系统，包括：
透明太阳能面板，所述透明太阳能面板包括：
透明基板，以及
波长选择性透明光活性材料；以及
支撑结构，所述支撑结构支撑所述透明太阳能面板，所述透明太阳能面板被配置成将光透射至包含植物的田地区域；所述支撑结构限定内部区域；
至少部分地在所述内部区域内的电气布线；以及
耦接至所述支撑结构的管道，所述管道限定导管，所述导管被配置成将水从水源转移至所述植物。
34.根据权利要求33所述的PV和灌溉系统，其中，
所述支撑结构包括所述内部区域中的分隔件，
所述分隔件将所述内部区域划分成第一部分和第二部分，
所述电气布线至少部分地在所述第一部分内，并且
所述管道至少部分地在所述第二部分内。
35.一种光伏发电的方法，包括：
安装波长选择性透明太阳能面板，使得所述波长选择性透明太阳能面板将第一波长范围内的光透射至包含光合生物体的区域；以及
通过吸收第二波长范围内的光来产生电力。
36.根据权利要求35所述的方法，其中，
所述光合生物体是植物，并且
在由所述波长选择性透明太阳能面板透射的所述第一波长范围内的光下生长的所述植物的作物产量与在其他方面相同条件下在全光谱光下生长的植物相比降低小于或等于25％。
37.根据权利要求36所述的方法，其中，
所述植物是结果植物，
整个透明太阳能面板的平均光合透射率(APT)大于或等于约65％，并且
所述波长选择性透明太阳能面板被配置成以15mol·m-2·d-1的日光积累量透射光。
38.根据权利要求36所述的方法，其中，
所述植物是多叶植物或谷物植物，
整个透明太阳能面板的平均光合透射率(APT)大于或等于约45％，并且
所述波长选择性透明太阳能面板被配置成以10mol·m-2·d-1的日光积累量透射光。
39.根据权利要求35至38中的一项所述的方法，还包括：
在安装之前，基于纬度来确定在所述透明太阳能面板的第一表面与所述区域的第二表面之间限定的固定角度。
40.根据权利要求35至39中的一项所述的方法，其中，
安装步骤包括安装包括所述透明太阳能面板在内的多个透明太阳能面板，以及
所述方法还包括基于在中午至点期间阴影的减少或最小化、邻近的透明太阳能面板之间的水渗透或它们的组合来确定所述多个透明太阳能面板之间的间隔。
41.根据权利要求35至40中的一项所述的方法，其中，所述区域包括土地。
42.根据权利要求35至40中的一项所述的方法，其中，所述区域包括水。
43.一种制造用在包含植物的区域中的透明太阳能面板的方法，所述方法包括：
确定日光积累量(DLI)以实现所述植物的期望特性；
选择与所述DLI兼容的光活性材料；以及
构造包括所述光活性材料的所述透明太阳能面板，所述透明太阳能面板被配置成将光透射至包含所述植物的所述区域。
44.根据权利要求43所述的方法，还包括：
在构造之前，选择所述透明太阳能面板的材料以实现期望的太阳能得热系数(SHGC)。
45.根据权利要求43至44中的一项所述的方法，其中，
所述透明太阳能面板是透明发光太阳能集中器(TLSC)，并且所述光活性材料是发光体，以及
所述方法还包括确定与所述DLI兼容的所述发光体的浓度。
46.根据权利要求43至44中的一项所述的方法，其中，
所述透明太阳能面板是透明光伏(TPV)，以及
所述方法还包括确定活性层的厚度、整个TPV的厚度或所述活性层和所述TPV两者的厚度，使得所述厚度与所述DLI兼容。
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