这些窗户可以遮挡阳光，同时为你的房屋供电

许多汽车和建筑物的窗户都贴有一层薄膜，可以阻挡不必要的阳光，这是一种节能措施，有助于降低供暖和制冷成本。其他环保窗户则采用透明太阳能电池涂层，将其转变为微型发电机。但你可能找不到可以同时实现这两种功能的窗户。至少现在还没有。这种情况可能即将改变。中国科学家发明了一种既能遮挡阳光又能发电的新材料。他们预测，配备这种产品的窗户——甚至是配有这种产品的窗帘——最终可以将普通家庭的电费至少减少一半。华南理工大学材料科学与工程系教授叶显立 (Angus) 表示：“我们将材料创新与光学薄膜设计相结合，以实现将太阳能发电和隔热结合在一张薄膜上的目标。我们的房屋能源效率是双重的：发电和节能。”

要构建一个能够同时发电和防止过热的原型，需要包括同样来自华南大学的黄飞在内的科学家们在收集光子发电和阻挡光子发电之间取得平衡，并在各种材料和化合物中进行混合和搭配，以找到最恰当的工作组合。

最终，他们设计出一种产品，允许阳光的可见部分通过，但拒绝红外光，而红外光是“主要的发热元凶”，叶说。研究人员随后将可见光和红外部分之间的近红外区域转化为电流。

“我们将太阳光转化为电能的主要材料是聚合物半导体，”叶说。“我们可以设计化学结构并调整其吸收特性。这种有机材料具有非常独特的吸收特性，可以选择性地吸收近红外光，但允许大部分可见光穿过，使其成为半透明光伏 (PV) 窗户应用的理想材料。”

目前的太阳能电池技术基于硅或其他无机半导体，不适合光伏窗户应用，“因为它们外观不透明且暗淡，”他补充道。“相反，我们可以将有机光伏电池制成半透明、轻质且色彩鲜艳的薄膜，非常适合将窗户变成发电机和隔热材料。”

描述这项研究的论文发表在《焦耳》杂志上。

叶先生说，这种材料类似于印刷报纸或汽车涂料中使用的颜料，“但功能更强大”，他说。“实际上，我们可以采用卷对卷印刷工艺在柔性基板上制造聚合物太阳能电池，就像我们印刷报纸一样。如果将其与生产硅太阳能电池所需的能源密集型工艺进行比较，聚合物太阳能电池的生产消耗的能源更少，碳足迹也更低。”

这种材料有许多潜在的应用。由于它是一种柔韧且可卷起的薄膜，叶认为它可以做成很棒的窗帘。“如今，许多窗帘都是电动控制开合的，而我们的光伏窗膜可以发电，因此可以使用相同的电路来传输电力，然后可以直接使用或储存起来为房屋中的其他设施供电，”他说。

他还看到了它们在自供电温室中的应用价值。“只需要调整光伏窗膜的光学特性，因为植物主要吸收蓝光和红光，这就是它们呈绿色的原因，”他说。“因此，用于温室应用的光伏窗膜的设计必须最大限度地提高蓝光和红光的透射率。这可以通过新材料设计和光学工程来实现。”

科学家估计，安装具有发电和隔热双重功能的窗户可使普通家庭对外部电源的依赖减少50％以上，尽管这个数字假设每个窗户的每平方英寸都配有由多功能太阳能电池制成的面板。

叶教授指出，研究人员在自己的研究演示中甚至没有使用“该领域目前最好的有机光伏电池”，他补充道：“它们的效率正在迅速提高，我们希望能够不断提高这种统一太阳能电池窗膜的性能。制造隔热、多功能、半透明的聚合物太阳能电池只是探索有机光伏电池新应用的开始。”

Yip 表示，该产品很容易推广使用，尽管最初可能比传统薄膜更贵，但很快就能收回成本。“我们认为，与无机光伏电池相比，聚合物太阳能电池的能源回收时间将短得多，因为它们可以使用低能耗印刷工艺制造，”他说。

“就薄膜成本而言，由于其结构与目前的隔热膜非常相似，但只增加了几层，我预计其成本将略高于目前的窗膜，”他补充道。“但由于其能源效率可以翻倍，我们相信成本回收期将非常短，可能在三到四年内。”

他预计这些材料可在五年内投入商业使用。

“从发现聚合物太阳能电池到现在，已经过去了大约 25 年，”他说。“我们在提高聚合物太阳能电池的效率和稳定性方面取得了一些非常好的进展。如果我们能在未来几年内找到最好的材料和工艺来扩大这些光伏技术的规模，也许我们就能在其 30 周年纪念日时随处可见它们。”

玛琳·西蒙斯为 Nexus Media 撰稿，这是一家涵盖气候、能源、政策、艺术和文化的联合通讯社。