新型自供電系統：讓智能窗戶更智能！

導讀

為了讓智能窗戶實現自供電，最近美國普林斯頓大學的研究人員開發出一種特殊的透明太陽能電池，它可以有選擇性地吸收近紫外光，從而讓智能窗戶實現完全自供電，且這項技術成本低廉、便於安裝、也不影響現有的窗戶設計和美觀。

關鍵字

智能窗戶、自供電、太陽能

背景

一般來說，炎炎夏日，我們會希望儘可能地將太陽光擋在室外，減少室內空調的開銷；寒冷冬日，我們則希望儘可能地讓太陽光進入室內，減少室內取暖的開銷。有一項前沿科技可以幫助我們實現這一需求，它就是：智能窗戶。

智能窗戶能夠智能地感知外界光線變化並作出反應，它依靠特殊的材料來實現這些功能。這些材料主要分為電致變色、光致變色、熱致變色這幾大類。簡單說，這些材料會隨著電、光、熱等外界條件變化而改變自身顏色和透光特性，有效地控制太陽輻射能量進入室內，以達到建築節能的目的。

與這些材料相關的科學研究非常多，筆者之前重點介紹和關注的是電致變色材料。電致變色是指材料的光學特性，在外部電場作用下發生穩定、可逆的顏色變化的現象，在外觀上表現為顏色和透明度的可逆變化。

例如，筆者曾在《新材料SmNiO3：應用於智能窗戶 動態控制光線》一文中介紹過美國哥倫比亞大學科學家開發的新型相變光學材料SmNiO3。這種材料經過電調諧后，可以在更寬的波長和調製幅度範圍內，動態地控制光線，不僅可用於智能窗戶和智能塗料，還可用於反紅外偵察，光學存儲器件，光通信等領域。

另外，筆者也在《新的 "智能窗戶" 材料選擇性的阻擋光（和/或）熱》一文中，介紹過美國德克薩斯大學奧斯汀分校研究人員利用摻雜鈮的二氧化鈦納米晶體材料，動態地控制太陽輻射的透過率，可以有選擇性的允許可見光通過，阻擋熱量（冷卻模式）；相反地，阻擋可見光，讓熱量傳輸（加熱模式）通過。另外，這項技術還可以在這兩種模式間迅速切換，僅僅需要幾秒鐘。

（圖片來源：納米快報雜誌）

但是，含有電致變色材料的智能窗戶為了保證正常運作，也需要有能量供應。因此，在現有建築中安裝這些智能窗戶，其過程會顯得相對複雜，例如要連接電源、進行布線等等。

創新

針對上述問題，美國普林斯頓大學的研究人員採用了新型太陽能技術。他們開發出了一種特殊的智能窗戶：一種「自供電」的版本，且成本低廉，便於在現有的窗戶上安裝應用。該系統採用太陽能電池有選擇性的吸收近紫外光，從而實現完全自供電。這項研究的論文於6月30日發表於《自然能源》雜誌。

研究團隊和他們的實驗室

（圖片來源：普林斯頓大學）

該校 Andlinger 能源中心主任 Yueh-Lin (Lynn) Loo 教授稱：

「太陽光是電磁輻射的混合物，由近紫外射線、可見光和紅外線（熱量）組成。我們想通過智能窗戶動態控制自然光線的量和能夠進入室內的熱量，節約能耗以及讓空間變得更加舒適。」

這種智能窗戶能夠控制進入建築內部的可見光和紅外線，而這種新型太陽能電池使用近紫外線為系統運行提供能量。

技術

（圖片來源：David Kelly Crow）

由於近紫外光對於人眼來說是不可見的，所以研究人員打算利用它作為激活這種「變色技術」所需要的電能。

根據研究人員在論文中的描述，他們採用有機半導體，彎曲的六苯並蒄(cHBC)衍生物，製造這種太陽能電池。他們之所以選擇這種材料，是由於它的化學結構可以修改，用於吸收窄波段的光線。製造這種太陽能電池的方法，與有機發光二極體製造商所用的製造方法相同，就是將半導體分子沉積在玻璃上形成薄膜。當太陽能電池運行時，太陽光激發 cHBC 半導體產生電能。

同時，研究人員設計的這種智能窗戶也由電致變色聚合物組成，它可以控制變色，可完全由太陽能電池產生的能量維持運行。當從太陽發出的近紫外光在太陽能電池中產生電荷，電荷將會觸發電致變色窗戶中的反應，讓它從透明變為深藍。一旦顏色變暗，智能窗戶將阻擋80%的光線。

價值

對於這項研究的價值，我們先看看研究人員怎麼說。化學和生物工程專業教授、論文作者之一 Loo （這項技術在她的實驗室開發）稱：

「這項新技術實際上是對於太陽光的整個光譜的智能管理。」

Loo 補充道：

「使用近紫外光為這些智能窗戶供電，意味著太陽能電池可以是透明的，並且可以和窗戶佔用同樣的空間，而不會在相同的光譜範圍內產生競爭，或者帶來審美和設計方面的限制。一般由硅製成的太陽能電池是黑色的，因為它們吸收所有的可見光和一些紅外線，所以那些太陽能電池對於這項應用來說不合適。」

論文的領導作者、化學和生物工程系的博士研究所Nicholas Davy 稱，其他研究人員已經開發出透明的太陽能電池，但是這些電池的目標是紅外能量。然而紅外能量攜帶熱量，所以使用紅外能產生電能，將和智能窗戶控制進出建築的熱量流的功能發生衝突。換句話說，透明的近紫外線太陽能電池不會像紅外版本的太陽能電池一樣產生許多能量，但是它不會阻礙紅外輻射的傳輸，所以他們補充了智能窗戶的功能。

Davy 稱普林斯頓大學的團隊旨在設計一種柔性、自供電的智能窗戶系統，能夠通過層壓應用於現有的窗戶。Davy 稱：

「某人在他的房屋或者公寓里，將採用這些無線智能窗戶層壓製品（它具有剝離的粘性的支撐），且將它們安裝到窗戶的內部。那麼你將可以通過手機應用程序（app）控制進入房間的太陽光，從而迅速提高能量效率、舒適度和隱私。」

美國國家可再生能源實驗室的高級研究科學家Joseph Berry，對於太陽能電池有一些研究，但是沒有參與這項研究，他說這個研究項目很有趣，因為這種器件具有良好擴展性，並且針對特定部分的太陽光譜。Berry 說：

「將太陽能電池集成到智能窗戶中，讓它們對於改造來說更有吸引力，且你無需布線連接電源。電壓性能也很好。他們創造出的電壓可以直接驅動電子器件，從技術來說，它非常有趣。」

未來

基於論文中描述的技術，Davy 和 Loo 已經創辦了一家稱為「Andluca Technologies」的新公司，並且正在準備拓展這種透明太陽能電池的其他應用。他們解釋這種近紫外的太陽能電池技術也可以為物聯網（IoT）感測器和其他低功耗消費電子產品供電。Loo 說：

「它無法為汽車提供足夠的能量，但是它能夠為小型設備提供輔助的能量，例如風扇，當汽車在酷熱的陽光下停泊時，用它為汽車降溫。」

參考資料

【1】http://www.princeton.edu/engineering/news/archive/?id=17950

【2】https://www.nature.com/articles/nenergy2017104

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