紫外線作“開關” 新型光伏變色智能窗自動調節採光

你見過這樣的智能變色窗嗎，它們可以隨着太陽光的強弱，自動調節光線強度，改善室內採光；還能將酷熱的太陽光直射温度降低超過9℃……6月20日，科技日報記者從南京工業大學獲悉，中國科學院院士黃維、南京工業大學教授秦天石課題組的這一最新研究成果在線刊發於《自然·通訊》。

用紫外線作“開關”，控制可見光與紅外線的透過率

如今，可動態調節環境採光與温度的智能窗在建築、汽車、飛機等領域展現出較大的應用潛力。

“但最常見的電致變色智能窗技術，需要外接電源電路，會造成難安裝、易損壞、難更換等問題；而光致或熱致變色技術，又無法根據實際需求自由開關變色。但光伏變色技術則將自驅動和可控制兩大功能集於一身。”論文的通訊作者秦天石説。

不過，目前光伏變色智能窗在集成度上有很大挑戰。秦天石説，常用的形式是將太陽能電池與電致變色窗通過外電路連接，但這勢必造成光伏電池，也就是太陽能電池佔用額外空間，且採用的光伏電池大多並不透光，勢必會阻擋光線射入室內，無法實現智能窗的全幅面透光與變色效果，難以應用於玻璃幕牆、全景天窗等產品。針對這一問題，黃維院士、秦天石教授團隊設計了一種全幅面高對比變色智能窗，利用對室內環境無用的紫外線作為“開關”，控制可見光與紅外線的透過率，從而智能調節室內亮度與温度，最終實現對太陽光全譜段智能管理。

“要實現以上功能，我們首先需要一種全透明的光伏層材料。”秦天石介紹説，與傳統的太陽能電池材料不同，這種新型透明光伏層材料並不吸收可見光，因此它們看上去就和普通玻璃一樣，但是它們可以吸收人眼不可見的紫外線，再將這部分紫外線的能量轉變成電能，從而驅動電致變色層材料，實現智能變色。

正是因為團隊採用了自主研發的全透明鈣鈦礦光伏材料，這種全幅面高對比的一體化變色智能窗才得以實現。與以往利用外部電路連接的光伏電池板驅動的電致變色窗繁冗結構不同，採用全透明光伏層的一體化智能窗採用疊層結構，將光伏層與變色層像三明治一樣的夾在兩片導電玻璃之間，從而實現了100%的有效空間利用率。

在建築、高鐵、飛行員視覺頭盔等領域有應用前景

“這項研究的難點在於，如何提高太陽能電池的透光率。” 論文第一作者、博士生劉有説，“課題組設計了一種基於鹵素離子交換的方法，將鈣鈦礦光伏層浸泡在特定的化學溶劑中，根據浸泡時間的長短來對化學材料中各組分的比例進行調控，使光伏層材料的透光率高達76%。”

值得關注的是，這種智能窗的色彩飽和度、保真度具有高達96的顯色指數、大於30%的平均可見光對比度，並具有應對不同太陽輻射強度的高度自適應性。

“所謂自適應性，是指智能窗可根據不同的太陽光照強度展現出不同深度的顏色，根據不同天氣自適應調節室內採光。晴天時，智能窗讓室外的強光透進來少一點，這樣就不刺眼；陰天時，就讓光線完全透進來，滿足室內照明需求。”劉有説。

這種智能窗在紅外光波段也有調節功能，能對紅外線進行調控，“變色智能窗通過吸收一部分的紅外光，減少紅外光的透入，從而能使室內温度降低超過9℃，極大降低了室內對空調降温的能耗需求，這將助力我國實現碳達峯、碳中和的長遠目標。”秦天石説。

“目前我們已經設計出該光伏變色器件樣品，經過1萬次開關測試後，該器件的平均可見光對比度仍然可以基本維持在初始值，證明我們的智能窗的性能是穩定的。”劉有介紹，這一成果在建築、汽車、高鐵、飛機等領域有廣泛市場前景。此外，相對於目前的光致變色鏡片，該光伏變色器件有着更快的響應時間和更廣的動態範圍，在防眩目護目鏡、飛行員視覺頭盔等高端領域也有應用潛力。