全透明太阳能“智能窗”的时代已经来临？

炎炎夏日，家里和办公室如果不开空调，估计很快就会有人抓狂。特别是那些家里有大飘窗或者办公室所在写字楼使用玻璃幕墙的人们，一边是从窗子投射进来的“温暖”阳光，一边是努力工作喷出冷气的空调，一个夏季下来，耗电量会十分惊人。以美国为例，家庭及办公楼的耗电量占到了总用电量的75%，以及总能源消耗量的40%。普通窗户无法阻止热量随着阳光进入，是问题的关键原因之一。

解决方案估计很多人都想到过，那就是将普通的玻璃窗变成能吸收太阳能发电的智能窗。这样一来，原本要进入室内的太阳能会被太阳能窗户给吸收掉，并转换成电能为建筑物供电，岂不两全其美？不过事情远没有那么简单，传统的硅基太阳能电池根本不透光，用它们做窗户就等于是给自己造了一个小黑屋。材料科学家也曾把吸光薄膜整合到玻璃里，所得到的半透明窗户既能发电又能透过一定的光。但是，这类太阳能窗的颜色看起来往往是发暗的红色或棕色，与人们心中传统的“窗明几净”要求想去甚远，外观卖相很成问题。科学的探索从未止步，近期的一系列研究提出了太阳能窗新技术，可以选择性地只吸收紫外或者近红外光，而让可见光毫无阻碍地通过。这样一来，太阳能窗的外观就会和普通玻璃窗一样澄清透明，同时还能吸收紫外及近红外光发电，并将多余热量挡在了室外。美国密歇根州立大学的Richard Lunt教授是这个领域内的领军人物之一，他的课题组制备了几乎完全透明的有机光伏器件，仅仅吸收紫外光及近红外光，光电转换效率可达5%。^[1]

仅吸收紫外光及近红外光的透明有机光伏器件。图片来源：Nat. Energy ^[1]

说到太阳能电池和光伏器件，光电转换效率是个不能不提的性能参数。大多数太阳能电池，例如目前市场上占主导的标准硅基太阳能电池，牺牲透明度换取光电转换效率的最大化，最好的硅基电池的效率可以达到25%。同时，另外一种不透明的太阳能电池的效率也悄悄接近了22%，那就是钙钛矿太阳能电池。钙钛矿材料不仅比硅更便宜，而且它们的性质可调，可通过改变其组成来让它们选择性地吸收特定频率的光。

在近期的Joule 杂志上，Richard Lunt团队又报道了他们在这一领域的最新进展。^[2] 他们通过调整卤化物钙钛矿的材料组成，开发了一类只吸收紫外光（波长410-440纳米）的透明光伏器件，透明度超过99%。尽管光电转换效率较低，只有0.5%，但是却足以为另外一种智能窗技术——按需变暗玻璃（on-demand darkening glass）提供工作所需的能量。按需变暗玻璃可以在太阳光照较强的时候变暗，以阻止过多阳光进入室内，从而降低对空调的需求。Richard Lunt教授乐观地认为他们可以在未来几年内将这种钙钛矿器件的光电转换效率提高到4%，如果能够成功，配合可充电电池，就可以为建筑物的照明及空调系统供电了。

仅吸收紫外光的透明钙钛矿光伏器件。图片来源：Joule ^[2]

看到了可以选择性吸收紫外光和近红外光的两种光伏器件，估计不少读者都会想到如果能把这二者结合起来，是否可以进一步提高光电转换效率呢？Richard Lunt教授预测，未来结合吸收紫外光的钙钛矿与吸收近红外光的有机材料，全透明的光伏器件的光电转换效率有望达到20%。^[3-4]

Richard Lunt教授和他的透明光伏材料。图片来源：Michigan State University ^[4]

除了这两种光伏器件，还有研究者开发了基于“太阳能荧光聚光器（luminescent solar concentrator，LSC）”的透明太阳能智能窗。在这些窗户中，量子点可以吸收紫外及近红外光，并以常规太阳能电池可以捕获的波长重新发射光。重新发射的光被聚集并从侧面射出，而常规太阳能电池可以嵌入窗户四周的框架内，吸收这些光而发电。由于量子点价格便宜，而且只需要少量的电池材料捕获重新发射的光，这类透明太阳能智能窗的特点是非常实惠。洛斯阿拉莫斯国家实验室的Victor Klimov和他的中国合作者们在今年年初在Nature Photonics 报道了这个领域的一项突破。^[5] 他们制备的基于量子点的叠层式太阳能荧光聚光器，面积可超过230平方厘米，光电转换效率最高可达3.1%。

基于量子点的叠层式太阳能荧光聚光器原理及实物图。图片来源：Nat. Photon.^[5]

不过，完全抛弃半透明的太阳能智能窗可能还为时尚早。美国能源部（DOE）不久前还向一家加州的公司提供了250万美元，资助完善他们基于有机太阳能电池的半透明智能窗。这家公司的半透明太阳能智能窗目前已经实现了7%的光电转换效率，尽管比玻璃看起来要暗一些，但由于它吸收的是整个光谱而不是某几个特定波段的光线，所以不会像以前的半透明窗户那样偏红或偏棕色，外观改善很多。^[3]

家里正在装修的读者可能会问在哪里能买到这种节能的智能窗，很遗憾，虽然研究十分火热，但这些技术离上市销售都有不小的差距。两个核心问题可能是它们所面临的最大障碍：材料的毒性和使用寿命。无论是卤化物钙钛矿还是有机半导体，都无法保证像常见的玻璃窗那样安全，那样可持续使用十数年甚至数十年。此外，还有成本问题也需要重视。尽管问题不少，但相信科学家们解决问题的办法和智慧一样不少。未来的建筑，肯定不是现在这样一停电就傻眼，必然更加智能且更加低碳节能。

参考资料：

1. Emergence of Highly Transparent Photovoltaics for Distributed Applications. Nature Energy, 2017, 2, 849-860, DOI: 10.1038/s41560-017-0016-9

2. Halide Perovskites for Selective Ultraviolet-Harvesting Transparent Photovoltaics. Joule, 2018, DOI: 10.1016/j.joule.2018.06.004

3. See-through solar cells could power offices. Science, 2018, 360, 1386, DOI: 10.1126/science.360.6396.1386

4.https://msutoday.msu.edu/news/2017/transparent-solar-technology-represents-wave-of-the-future/

5. Tandem luminescent solar concentrators based on engineered quantum dots. Nat. Photon., 2018, 12, 105–110, DOI: 10.1038/s41566-017-0070-7