可隔热控温、可发电节能的新型光伏窗户薄膜

注：文末有本文科研思路分析

将一层兼具发电和隔热功能的半透明光伏薄膜附着于窗户玻璃上，可使房屋在夏天保持凉爽，冬天保持温暖。这一既提高能源产率又减少能源消耗的革命性设计由华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室的研究团队开发完成。

目前市面上已有多种玻璃隔热膜，可贴于建筑玻璃上控制太阳光透过，隔热控温、减少房屋温控的能耗。这些隔热膜控制长波红外线及短波紫外线的通过，从而达到室内控温的目的。对于某些特殊场合，人们还可以通过引入多层光学调控层以实现隔断特定波长的太阳光线的作用。因此，多功能玻璃膜对建筑物的制热/制冷及照明能耗具有重要影响。半透明有机太阳电池的许多设计思路与商用隔热膜非常相似：选择性透过可见光，而将其他部分光线吸收利用，从而产生电能。

据了解，该研究团队将有机半导体材料制成半透明、质轻的薄膜，可使玻璃窗成为发电设备和隔热设备。这种新型的玻璃薄膜能让可见光透过，并通过多层薄膜结构隔断红外波段光线，同时对近红外波段的光进行吸收利用，因而同时满足透光、阻隔热量和采光发电3个要求（见下图）。研究显示，使用这种同时具备发电和隔热效果的薄膜，理论上可帮助住户节省超过50%的用电量。

半透明太阳电池薄膜实物透光示意图。重点在于平衡以下三方面的指标：（1）电池效率PCE， （2）可见光透明度AVT，（3）红外阻隔率HR。

这种薄膜的隔热率可在75%到90%的范围内调节，与市场中优质的玻璃隔热膜水平相当，而其光电转换效率已达9%，比现在基于非晶硅的半透明光伏电池还要高。此外，在低光强照射下，这种薄膜的光电转换效率反而更高，因此还有望利用夜晚的室内灯光产生可观电能。值得一提的是，这一研究是结合多领域应用的初次尝试，所以就光电转换性能来看，此电池性能仍有很大提升空间。

相关研究成果以论文的形式发表在国际顶尖期刊Cell 的子刊Joule上。论文的第一作者为博士生孙辰、夏若曦，通讯作者为叶轩立、黄飞。

该论文作者为：Chen Sun, Ruoxi Xia, Hui Shi, Huifeng Yao, Xiang Liu, Jianhui Hou, Fei Huang, Hin-Lap Yip, Yong Cao

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Heat-Insulating Multifunctional Semitransparent Polymer Solar Cells

Joule, 2018, DOI: 10.1016/j.joule.2018.06.006

科研思路分析

Q：如果考虑薄膜透明度和反射率的平衡程度，你们所设计的半透明太阳电池与真正完美的太阳隔热膜差距有多大？如果要实现完全理想的太阳隔热膜，还有哪些方面可以提升？

A：即使今天市场上已有多种规格的太阳隔热膜可供选择，我们仍认为没有真正完美的太阳隔热膜。这与应用场合相关，有些场合需要非常高的透明度但相对较低的隔热率，而有些场合恰恰相反。对于半透明太阳电池来说，由于多加了一个光转换功能，定义完美的太阳薄膜就更加复杂了。但如果非要说出最好的太阳薄膜，那么我们应该要努力做到：（1）减少太阳电池本征复合的损失，增大内量子效率；（2）减少电池器件不必要的平行吸收；（3）设计更好的器件结构，以实现对紫外光和红外光的全反射。这些都会帮助我们获得同时兼备高透明度、高器件性能、高隔热效率的产品。

Q：请问您能在实际应用背景下对你们所设计器件的发电和隔热性能进行评估吗？例如，单个电池器件的产能如何，可以节省多少的制热/制冷消耗？

A：我们可以在这里简单计算一下，对于一个普通家庭住户来说，窗户面积大约是地板面积的15%，因此对于一个100 m²的住户，窗户面积大概有15 m^{2 [1]}。如果这里所有的窗户都使用了半透明太阳电池薄膜，且其光电转换效率有10%的话，在一个太阳光照射下就会产生15 m² × 1000 W/m² × 10% = 1.5 kW的电能。假设每天日照时间为6小时，那么在一个月的时间范围内，太阳电池可产生 1.5 kW × 6 h × 30 days = 270 kW•h的电能。根据美国能源部研究，美国一户家庭平均每月耗电量为897 kW•h ^[2]。所以，半透明太阳电池可以帮每户节约了大概30%的耗电，这个数据非常可观。另外，如果在房屋外墙或屋顶再安装柔性有机太阳电池的话，会进一步帮助每户家庭减小耗电量。

此外，根据美国能源部研究，虽然地域和天气有所不同，但家庭住户制热/制冷的耗电量仍占整体耗电量的10%-25% ^[3]。而3M公司的一项研究也说明，使用了太阳隔热膜的建筑每年大概会节能200 kWh/m^{2 [4]}。我们仍以平均窗户面积为15 m²为例，使用了太阳隔热膜的建筑每月会节能200 kW•h/m² × 15 m² / 12 month = 250kW•h。从这个数据来看，隔热膜对建筑物的温度控制作用又会节省大概20%-30%的耗电量。

综合上述两项数据分析，结合发电和隔热两种功能的半透明薄膜太阳电池可以帮住户节省超过50%的耗电量。而且，由于有机太阳电池在低光强照射下光电转换效率更高，因此，在夜晚，它还可利用室内灯光产生电能。这样看来，光伏薄膜技术可以全天工作，这也是一项非常有趣的研究。

参考文献：

[1]https://www.energystar.gov/sites/default/files/ESWDS-ReviewOfCost_EffectivenessAnalysis.pdf

[2]https://www.eia.gov/electricity/sales_revenue_price/pdf/table5_a.pdf

[3]https://www.energy.gov/sites/prod/files/energy_savers.pdf

[4]https://multimedia.3m.com/mws/media/1145162O/3m-commercial-window-film-energy-efficiency-brochure.pdf

Q：除了以上问题，您还有什么想补充或强调的吗？

A：目前来看，结合隔热功能的半透明太阳电池仅仅是有机太阳电池领域的一个新的探索。除此之外，本领域内仍有很多其它可能的应用值得开发，例如，将半透明太阳电池薄膜应用到植物温室上，实现整个温室的独立自供能，这也是非常有趣的一个项目。