以色彩閾值為切入探討彩色玻璃窗與太陽能電池板的異同及發展趨勢

摘 要：文章以傳統彩色玻璃窗與新興的太陽能電池板這兩種建筑材料為研究對象，以“色彩閾值”這一概念為突破口。通過對兩種顏色材料的色彩演變過程、原料與制作工藝的對比分析，進而提出“閾值”這一概念在色彩領域的應用，并以國際通用的色彩評估系統為工具，以評估這兩種顏色材料的色彩區間為方法，旨在發現彩色玻璃窗與太陽能電池板之間的異同以及相互作用因素，并最終對太陽能電池板的未來顏色發展以及現代工藝對傳統文化的傳承與保護作出展望。

關鍵詞：色彩閾值；彩色玻璃窗；太陽能電池板；新舊對比；傳承與保護

0 引言

當今時代，當人們物質追求得到極大滿足，具有裝飾意味的可持續材料便成了設計界的主流發展方向。太陽能電池板作為一種新興的可持續材料，在保證實用性的同時，正逐漸向裝飾化過渡。其色彩的多樣化成為科學行業、設計行業的共同研究方向。而作為傳統顏色材料的彩色玻璃窗，其顏色經歷了歷史變遷，無論是色相呈現，還是色彩搭配上，對新興的彩色太陽能電池板都能起到一定的指引作用。

1 兩種顏色材料的色彩演變過程

1.1 彩色玻璃窗

彩色玻璃窗是彩色玻璃的一種極為常見的表現形式，其既作建筑材料使用，也極具裝飾意味。因此，無論是在西方哥特式教堂，還是傳入中國的木質建筑中，彩色玻璃窗均占有一席之地。彩色玻璃窗的色彩演變過程，亦是建筑工藝與人們審美的發展過程。

早期哥特式教堂中的彩色玻璃以紅藍色調為主，紅與藍總是配合使用。色相上，它們是未經摻合的色彩，輔以最強烈的明亮度；冷暖上，它們是兩種極端，在強烈的對比下達到了整體的和諧統一。其次是暗紅色和神秘的紫色。這樣的配色習慣從中世紀一直延續到13 世紀下半葉，那時彩色玻璃的色彩已趨于通透明亮，因此，金黃色調的運用成為哥特式晚期彩繪玻璃色彩的顯著特征，并在15 世紀后逐漸占主導地位[1]。此后，彩色玻璃窗經歷了衰落與復興，形制趨于簡約但色調仿古。而在中國，彩色玻璃于清乾隆年間傳入，它們的圖案融入中國傳統元素，顏色以紅、黃、藍、綠、紫、金等為主。

簡而言之，彩色玻璃窗所呈現的色彩大多色相鮮明、對比強烈，而在當代工藝之下，它們幾乎能夠表達一切人們想要表達的色彩。

1.2 太陽能電池板

現今，傳統的太陽能電池多為藍色或黑色，且運用切片拼接工藝，外觀與顏色都十分單調。而彩色太陽能電池技術作為一種新興的研究方向，由于其設計靈活性和顏色多樣性，發展勢頭迅猛。

由于晶硅電池的市場占有率達到80% 以上，通過調節晶硅表面減反射膜的參數而得到彩色晶硅太陽能電池成為主要且可行性強的方法。理論上看，黃色、綠色、紅色、藍色、棕色及硅本色都在可供調節的顏色范圍內（表1）[2]。

實際應用上，由歐洲領跑的薄膜太陽能電池外觀顏色美觀均勻，并可定制部分顏色、質感或圖案[3]。其中具體案例包括巴塞爾的Kohlesilo 建筑，其屋頂顏色涵蓋黑色、綠色、藍色、灰色和金色，南立面由灰色、藍色、金色和綠色構成，均為彩色光伏組件[4]。此外，哥本哈根國際建筑大樓的外立面也由松綠色的光伏玻璃面板構成。2022 年，上海交通大學的研究人員在此領域取得了顯著進展。他們與香港理工大學的教授合作，開發了一種基于光子玻璃的著色技術，成功制造出了具有不同色調的彩色太陽能電池板，包括藍色、綠色、紫色等。

由此可見，太陽能電池板，即光伏玻璃在理論上可以呈現出多種色彩，但是技術尚未完全成熟，因此沒有足夠多的項目將其投入使用。當前階段，太陽能電池板的常見顏色仍舊較為單調，且明度較低。

1.3 玻璃透光性對顏色呈現的影響

玻璃是一種具有折射和反射作用的物質，當光透過玻璃時，不同的波長透過的程度不盡相同，由此便產生了不同的顏色效果[5]。彩色玻璃窗所呈現出的色彩，通俗而言，是“半透明”的色彩，是“不純粹”的色彩，是途經玻璃這一介質而被過濾和疊加后的色彩。這種與自然光相遇后的色彩誠然是美輪美奐的，正如1957 年Helen J·Dow 在論文《玫瑰窗》中所言：“沒有了陽光，哥特教堂中的彩繪玻璃窗也就失去了它的全部意義。”

然而，由于玻璃顏色的深淺影響其透光率，顏色越深的玻璃，其透明系數越小，透光率也就越低。這導致不同顏色的玻璃透射光線后所呈現的色相和明度不同，明度高、色相明顯的顏色經光的洗禮，兩種屬性均會得到提升，反之則不然。太陽能電池板中電池片的顏色也會受前置玻璃的影響，但由于太陽能電池板實際由多層疊加，其最終的顏色呈現效果會更加復雜。

2 兩種顏色材料在原料和制作工藝上的差異

彩色玻璃的原料包括基礎玻璃成分及著色劑，即二氧化硅與各種金屬元素氧化物、化合物。玻璃染色技術在中世紀已經產生，百年以來，傳統的工藝并未發生較大變化，簡而言之便是在燒制玻璃時按配方添入金屬氧化物，使無色玻璃變色[6]。在現代化學的發展下，精確地計算進入了彩色玻璃的制作過程，使得幾乎每一種顏色都可以實現。至于后期的切片、鉛條鑲嵌等工藝，與玻璃的色彩呈現已無緊密聯系。

太陽能電池板的制作原料則相對復雜，以市面上最常用的多晶硅太陽能電池板為例，其主要結構包括：鋼化玻璃——91% 以上透光率的前蓋板；太陽能電池片——發電核心，硅原料制成，原色為淺藍色或深藍色；減反射膜——主要功用為增加光電效率；以及背板。而文章中，太陽能電池板所呈現出的不同顏色主要由控制減反射膜的厚度而形成。減反射膜是一種運用PECVD 技術制作的氮化硅薄膜，其厚度與顏色的對應關系于前文已有闡釋。

簡而言之，彩色玻璃與太陽能電池板影響色彩呈現的原料和制作工藝不盡相同，一種是制作過程中的變色，制作過程與色彩生成同步；另一種則運用貼膜的方式，色彩呈現只是其整個工藝中具有裝飾意義的部分。

3 兩種顏色材料的色彩閾值對比

3.1 閾值在色彩領域的概念

閾值（Threshold）的原意指一種界限或臨界點，在不同的領域有著不同的定義和應用。色彩領域中，“閾值”可以是色彩感知的界限，即人眼能夠區分的最小顏色差異；可以用作圖像處理和分析，將灰度或彩色圖像轉換為高對比度的黑白圖像，以及確定圖像的最亮和最暗區域；可以用作彩色圖像的閾值分割，運用色彩空間模型將處于不同色彩區間的顏色進行提取和分離。

而此篇文章對色彩閾值的應用主要在于，選擇色彩空間模型，依此簡要劃分出兩種材料的大致顏色區間，并通過數據的對比和歸納，分析彩色玻璃與太陽能電池板在色彩領域的特點和異同。

3.2 用于對比的色彩評估體系

現代社會中常用的色彩空間模型包括RGB、HSV 以及Lab 三種。RGB 色彩空間是一種面向計算機及顯示設備的色彩模型，R、G、B 三個字母分別代表紅、綠、藍三原色，這種基于混色模式的模型由于三個顏色通道數值高度相關，不易用于圖像的分類和檢測[7]。Lab 色彩是一種基于人類視覺感知而設計的更為精確的顏色識別系統，廣泛運用于計算機領域，對于文章所需要的色彩分析方向不夠契合。

而HSV 色彩空間是基于色相（Hue）、飽和度（Saturation）、明度（Value）3 個顏色分量指標的圓柱坐標系的色彩模型。色相的數值范圍通常是0°至360°，0°或360°表示紅色，120°表示綠色，240°表示藍色；飽和度表示顏色的純度或強度，其數值范圍從0 到1，0 代表灰色，1 代表顏色鮮艷得沒有灰色成分；明度表示顏色的明暗程度，其數值范圍也是從0 到1，0 代表最暗的黑色，1 代表最亮的白色。這三個指標均可使用數字0— 255 表示，而每種顏色也能夠找到對應度數或對應數值。由于使用這三個指標能更直接、準確地表述目標的色彩特點，作者選取了HSV 模式為本文的色彩評估體系。

3.3 彩色玻璃窗的色彩閾值分析

3.3.1 色彩提取方式（基于HSV 的顏色分割）

彩色玻璃窗的色彩經歷了漫長的歷史變遷，現今已知的科技幾乎可以涵蓋所有色彩區間。而文章所要探尋的色彩閾值，是最具特色的歷史時期中的色彩閾值，包含了其色彩的特性與共性。

因此，作者選取了法國香檳地區以及瑞士蘇黎世地區的兩幅作品作為典型案例。它們現藏于倫敦維多利亞和阿爾伯特博物館，分別是13 世紀與16 世紀的經典作品，代表了哥特式建筑中彩色玻璃窗的常見配色。首先，確定需要提取的顏色數量，暫定為32；然后將圖片像素化并提取所占比例最大的32 種顏色色塊；最后，將每種提取出的顏色代入HSV 模型，這種色彩提取方式雖不精確，但能夠傳達一定的意義和價值（圖1、2）。

3.3.2 圖表制作與分析

作者將HSV 顏色模型色相環細分為6 等分度進行取值，色相度數值劃分可由最基本的3 種基礎顏色紅、綠、藍增加至6 種，即紅、黃、綠、青、藍、品紅，每種色相對應H 值（度數）如下：紅色（0— 30，331— 360）、黃色（31—90）、綠色（91— 150）、青色（151— 210）、藍色（211—270）、品紅色（271— 330）[8]。

然后，將前文圖中提取的顏色代入HSV 模型并根據色相值分類，歸類后尋找上述顏色所在的S、V 值區間并去除一些因誤差導致的極端情況（表2）。

如表中所示，彩色玻璃窗常見色的色相集中于紅、黃、綠、藍四種，它們的飽和度（S）值和明度（V）值存在一定的共性和個性。首先，它們的明度（V）值普遍偏高，最低不低于30；其次，除黃色外，它們的飽和度（S）值均偏高，在處理數據時大于90 的數字出現過半，其中以紅色最為明顯。而黃色的情況相對特殊，黃色的S 值非常廣泛，不同的飽和度可表現不同的物品，如神器與土地、皇冠與寶劍等等，這與哥特式晚期金黃色調的運用十分契合。

由此推測，接近原色的色相，較高的飽和度和明度是歷史上彩色玻璃窗建筑與藝術行業所推崇的。

3.4 太陽能電池板的色彩閾值分析

3.4.1 現有色彩選擇

彩色的太陽能電池板目前還是一種新興材料，除特定項目外，并未大面積投入使用。雖然某些實驗室已制備出多種顏色的原型，但不具備普遍價值。且實物的顏色較為復雜，無法直接提取。

因此，作者通過歐盟一家為商業和住宅建筑生產建筑一體化光伏（BIPV）太陽能電池板的制造商Metsolar，了解到當今市場上已經售賣，表示技術基本成熟的8 種顏色，包括淺褐色、金色、灰米色、深棕色、紅陶色、青銅色、藍色和藍綠色（圖3）。

3.4.2 圖表制作與分析

由于市面上售賣的太陽能電池板顏色很少且均為獨立單體，無法直接確定某種顏色所在的某個區間。因此，作者將此8 種顏色的H、S、V 值羅列至下表，旨在根據現有數據總結基本規律（表3）。

如表中所示，太陽能電池板的現有顏色從色相上看，紅綠藍三原色皆有，冷暖平衡；飽和度（S）值中等偏下，多數集中在40— 50 這一區間；明度（V）值中等偏上，除深棕色外幾乎大于60，甚至有三種顏色的V 值大于80。這種現象說明了較高的明度和較低的飽和度是當今太陽能電池板市場上所比較推崇的，由此可推測這樣的色彩閾值更有利于透過陽光，實現光電轉化。而比較豐富的色相體現了人們在美學方面的追求。

3.5 討論

于上述實驗中可看出，彩色玻璃窗與太陽能電池板的顏色存在不少相似之處。從色相上看，它們都偏好紅、黃、藍、綠，易于達到冷暖的協調與平衡；從明度上看，出于玻璃的透光性以及光電轉化的特殊需求，它們的色彩明度值普遍偏高。二者亦存在兩個巨大差異：其一，彩色玻璃窗的色相區間是一個較大的范圍，可實現多種顏色甚至顏色的過渡，在當今的技術加持下這個范圍仍在逐漸擴大，而太陽能電池板至今能夠投入使用的顏色數量十分有限；其二，彩色玻璃窗的色彩飽和度普遍偏高，而太陽能電池板的色彩飽和度受客觀因素影響，普遍較低，這一現象對太陽能電池板的色彩搭配是一個不小的挑戰。

4 彩色玻璃窗對太陽能電池板顏色發展的影響因素

4.1 歷史因素

彩色玻璃窗經歷了長達千年的歷史變遷，其中，無論是常見配色的變遷，還是各國家對哥特式風格的本土化探索，都能夠對新興的太陽能電池板顏色給予啟迪。

彩色玻璃窗從經典的紅藍配色，到各種補色的介入，到金黃色調的摻入，顏色從簡單到復雜，裝飾意味極強。太陽能電池板的色彩處于初步發展階段，目前從色相上看已冷暖色兼具。隨著現代工藝的發展，可投入使用的色彩將日趨多元。如只探究其裝飾性，彩色玻璃窗跨越千年的色彩搭配是不錯的模仿對象。彩色玻璃制作工藝傳入中國后，獅子林、滿洲窗上的花瓣紋、菱形紋、葉紋等二方連續、四方連續的圖案，均是對西方彩色玻璃窗的本土化應用。太陽能電池板現階段雖不支持切割技術，像素格的形式也可做到對本土化紋樣的效仿。

4.2 環境心理學因素

彩色玻璃窗的色彩呈現是一種室內與室外的聯動，玻璃窗的顏色既可作室內裝飾，也可對室外環境起到點綴作用。環境心理學中的環境知覺理論指出，環境知覺是個體捕獲各種環境信息并對其加以組織和解釋的過程，是環境刺激與個體已有經驗相互作用的結果[9]。一個城市或地域的地標性建筑，如教堂、廣場，給人留下深刻印象后可在人腦中形成認知地圖。彩色玻璃強烈的色彩和裝飾性也可對人腦起到相似作用。

而太陽能電池板本身作用于室外，屋頂、窗戶和外立面是其安裝的主要位置，歐洲已有光伏玻璃一體化的實際案例。連續性的顏色和空間更有利于形成地標性建筑、成為地方特色。

4.3 色彩心理學因素

色彩有冷暖，有空間，有情緒。不同的色彩搭配可對人們的心理產生不同的影響。彩色玻璃窗于教堂中的顏色運用對信仰者的宗教心理有著直接的影響，例如：紅色是神圣的顏色，象征著上帝的愛和信仰者的流血犧牲；藍色是忠誠與純潔的顏色，常被哥特藝術創作者們用作為圣母的衣服顏色，象征著基督教中與天國的聯系。而整體布局中，大面積的紅藍配色和小面積的金色點綴，充滿宗教性和神秘感。

色彩心理學理論可幫助太陽能電池板的色彩搭配，將不同色彩適應于不同場所。例如：競技場所的外立面可多用紅色色調或紅藍冷暖對比色；住宅區的屋頂或墻面則應多使用色相相似的和諧色；醫院墻面上如需使用太陽能電池板，應偏向于藍綠冷色調，給人以平靜、舒適的感覺。此外，太陽能電池板也可努力適應各區域傳統建筑固有色，使得色彩搭配更具地方特色。

4.4 太陽能電池板未來顏色展望

欲探究太陽能電池板的未來顏色發展，首先要考慮其限制因素。客觀上看，當今太陽能電池板的實用價值遠大于其裝飾價值。用于裝飾的太陽能電池板光電轉化效率低、造價高，加之從研究領域到實際運用是一個漫長的發展過程，這導致彩色太陽能電池板很難真正地投入平民化的使用。但是，隨著時代發展以及世界對清潔能源的需求，太陽能電池板作為一種新興的可持續材料，注定具有蓬勃發展的生命力。其色彩的多元化趨勢必將成為未來的發展方向。

展望未來，作者認為彩色太陽能電池板首先應專注于已有顏色的生產工藝以及顏色搭配，以確保現有的低飽和度色系能夠在生活中投入使用；其次，由于現有色相已較為豐富，研發的新興色彩應酌情考慮高飽和度的可能性。同色系且飽和度不一的色彩搭配能夠創造出十分協調的氛圍，高飽和度但色相不一的色彩搭配則能夠創造出對比強烈、鮮明醒目的氛圍。此外，彩色玻璃制造與玻璃彩繪技術也可作為裝飾元素，與太陽能電池板搭配使用，其顏色多樣性對太陽能電池板的色彩可以起到一定的彌補作用。

5 太陽能電池板對彩色玻璃窗的模仿與替代作用

5.1 形制與顏色的相似之處

從前文中可看出，太陽能電池板與彩色玻璃窗在形制與顏色上均有相似之處。其一，二者均運用到了玻璃材質，顏色呈現受玻璃透光性與自然光因素影響；其二，二者的色彩均處在較高的明度區間。當今彩色太陽能電池板的色相趨于豐富，正向著彩色玻璃能夠呈現的色相區間邁進。

5.2 現代工藝對傳統文化的傳承與保護

太陽能電池板作為一種新興材料，存在很多彩色玻璃所不具備的優勢。在實用性上，彩色玻璃窗僅具有裝飾作用，而太陽能電池板可做到實用性、裝飾性兼備，并且使用清潔能源發電，符合當今時代的可持續發展戰略；使用位置上，彩色玻璃作為一種透光性材料，僅運用于門窗，而太陽能電池板不僅作為一種發電機制作用于屋頂，也可憑借當今技術作用于門、窗、房屋外立面等。歐洲的光伏玻璃一體化建筑便是其使用范圍廣的有力憑證。

試想，未來的太陽能電池板若能將更多的顏色投入具體項目，便可部分實現對彩色玻璃窗的模仿與替代。若能用現代工藝創造出與傳統工藝品類似的作品并使其具有更多功能，不失為一種現代工藝對傳統文化的傳承與保護。

6 結語

彩色玻璃窗與太陽能電池板作為兩種常用的顏色材料，存在很多共性與個性。HSV 色彩空間模型從色彩閾值的角度提供了不少可供分析的線索。色相（H）值上看，它們均偏向于紅、黃、藍、綠；彩色玻璃窗的飽和度（S）值偏高而彩色太陽能電池板的飽和度（S）值偏低；明度（V）值上看，它們相似的高明度值體現了玻璃材質的特性。彩色玻璃窗作為一種傳統建筑裝飾材料，其形制變遷、色彩搭配以及應用范圍都可對太陽能電池板起到指引作用，而太陽能電池板作為一種新興的可持續材料，發展勢頭迅猛。其有望在未來對彩色玻璃進行效仿，從而在裝飾領域開辟更廣闊的發展空間。

7 參考文獻

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