你見過這樣的智能變色窗嗎，它們可以隨著太陽光的強弱，自動調(diào)節(jié)光線強度，改善室內(nèi)采光；還能將酷熱的太陽光直射溫度降低超過9℃……6月20日，科技日報記者從南京工業(yè)大學(xué)獲悉，中國科學(xué)院院士黃維、南京工業(yè)大學(xué)教授秦天石課題組的這一最新研究成果在線刊發(fā)于《自然·通訊》。

用紫外線作“開關(guān)”，控制可見光與紅外線的透過率

如今，可動態(tài)調(diào)節(jié)環(huán)境采光與溫度的智能窗在建筑、汽車、飛機等領(lǐng)域展現(xiàn)出較大的應(yīng)用潛力。

“但最常見的電致變色智能窗技術(shù)，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(shù)，又無法根據(jù)實際需求自由開關(guān)變色。但光伏變色技術(shù)則將自驅(qū)動和可控制兩大功能集于一身。”論文的通訊作者秦天石說。

不過，目前光伏變色智能窗在集成度上有很大挑戰(zhàn)。秦天石說，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，也就是太陽能電池占用額外空間，且采用的光伏電池大多并不透光，勢必會阻擋光線射入室內(nèi)，無法實現(xiàn)智能窗的全幅面透光與變色效果，難以應(yīng)用于玻璃幕墻、全景天窗等產(chǎn)品。針對這一問題，黃維院士、秦天石教授團隊設(shè)計了一種全幅面高對比變色智能窗，利用對室內(nèi)環(huán)境無用的紫外線作為“開關(guān)”，控制可見光與紅外線的透過率，從而智能調(diào)節(jié)室內(nèi)亮度與溫度，最終實現(xiàn)對太陽光全譜段智能管理。

“要實現(xiàn)以上功能，我們首先需要一種全透明的光伏層材料。”秦天石介紹說，與傳統(tǒng)的太陽能電池材料不同，這種新型透明光伏層材料并不吸收可見光，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(zhuǎn)變成電能，從而驅(qū)動電致變色層材料，實現(xiàn)智能變色。

正是因為團隊采用了自主研發(fā)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(xiàn)。與以往利用外部電路連接的光伏電池板驅(qū)動的電致變色窗繁冗結(jié)構(gòu)不同，采用全透明光伏層的一體化智能窗采用疊層結(jié)構(gòu)，將光伏層與變色層像三明治一樣的夾在兩片導(dǎo)電玻璃之間，從而實現(xiàn)了100%的有效空間利用率。

在建筑、高鐵、飛行員視覺頭盔等領(lǐng)域有應(yīng)用前景

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

值得關(guān)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(shù)、大于30%的平均可見光對比度，并具有應(yīng)對不同太陽輻射強度的高度自適應(yīng)性。

“所謂自適應(yīng)性，是指智能窗可根據(jù)不同的太陽光照強度展現(xiàn)出不同深度的顏色，根據(jù)不同天氣自適應(yīng)調(diào)節(jié)室內(nèi)采光。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(nèi)照明需求。”劉有說。

這種智能窗在紅外光波段也有調(diào)節(jié)功能，能對紅外線進行調(diào)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(nèi)溫度降低超過9℃，極大降低了室內(nèi)對空調(diào)降溫的能耗需求，這將助力我國實現(xiàn)碳達峰、碳中和的長遠目標(biāo)。”秦天石說。

“目前我們已經(jīng)設(shè)計出該光伏變色器件樣品，經(jīng)過1萬次開關(guān)測試后，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(wěn)定的。”劉有介紹，這一成果在建筑、汽車、高鐵、飛機等領(lǐng)域有廣泛市場前景。此外，相對于目前的光致變色鏡片，該光伏變色器件有著更快的響應(yīng)時間和更廣的動態(tài)范圍，在防眩目護目鏡、飛行員視覺頭盔等高端領(lǐng)域也有應(yīng)用潛力。