研究背景

全球變暖持續(xù)推高建筑冷熱負(fù)荷，暖通能耗激增與減排目標(biāo)的矛盾日益凸顯，迫切需要從建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)入手降低基礎(chǔ)熱負(fù)荷。窗戶作為太陽輻射輸入與室內(nèi)外熱量交換的關(guān)鍵通道，直接影響建筑采光、熱舒適和空調(diào)負(fù)荷。針對(duì)建筑窗戶光熱傳輸?shù)闹鲃?dòng)調(diào)控需求，電致變色智能窗（ECW）憑借動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)太陽光譜透射率，理論上可降低建筑能耗約40%；然而，傳統(tǒng)ECW的運(yùn)行仍然依賴外部供電，這種以能換能的模式產(chǎn)生的額外電耗，嚴(yán)重影響了其實(shí)際的凈節(jié)能效益。

將光伏（PV）與電致變色智能窗（ECW）集成可實(shí)現(xiàn)自供電運(yùn)行，從而克服對(duì)外部電源的依賴。然而，現(xiàn)有集成方案仍面臨技術(shù)妥協(xié)：外置或邊緣集成設(shè)計(jì)導(dǎo)致光伏活性區(qū)域嚴(yán)重受限；而垂直集成的半透明鈣鈦礦器件，又因材料固有著色犧牲了初始透過率，難以保障視覺舒適度。因此，開發(fā)兼具高初始透過率與寬光譜調(diào)控的深度集成自供電智能窗，仍是當(dāng)前該領(lǐng)域亟待突破的核心瓶頸。

本文亮點(diǎn)

近期，俞書宏院士和王金龍助理教授團(tuán)隊(duì)在Watt期刊發(fā)表題為“A perovskite solar cell-powered smart window with high initial transparency for tri-band solar spectrum management”的研究，采用“共用透明ITO電極”策略，將透明鈣鈦礦太陽能電池與電致變色器件無縫耦合，構(gòu)建了一種新型的自供電電致變色智能窗。該技術(shù)的核心亮點(diǎn)包括：

（1）高透光外觀與自供電調(diào)控的協(xié)同統(tǒng)一

智能窗在低輻照或寒冷環(huán)境下保持86.8%的高透光率，確保室內(nèi)自然采光；在強(qiáng)太陽輻照條件下，通過吸收紫外光發(fā)電自驅(qū)動(dòng)電致變色，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽輻射的有效阻隔。

（2）環(huán)境自適應(yīng)，多波段太陽光譜精準(zhǔn)管控

智能窗可隨外界太陽輻照強(qiáng)度和氣候條件變化，自主匹配并調(diào)節(jié)至適宜的光學(xué)調(diào)制狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)按需響應(yīng)的動(dòng)態(tài)光熱管理。同時(shí)，智能窗還表現(xiàn)出優(yōu)異的光譜調(diào)控能力，在640nm處可見光調(diào)制幅度達(dá)43%，在1100nm處近紅外調(diào)制幅度達(dá)57%，兼顧采光控制與隔熱性能。

（3）高效室內(nèi)熱管理，賦能建筑節(jié)能降碳

實(shí)驗(yàn)與模擬雙重驗(yàn)證表明：智能窗兼具優(yōu)異的降溫性能、突出的凈節(jié)能價(jià)值及廣泛的節(jié)能普適性，為綠色建筑提供了可靠的技術(shù)方案。

圖文解析

圖1. PSC-ECW的結(jié)構(gòu)和調(diào)制機(jī)理示意圖。

要點(diǎn)總結(jié)：

如圖1所示，PSC-ECW器件通過巧妙集成了負(fù)責(zé)紫外光收集的寬帶隙MAPbCl3光伏模塊與負(fù)責(zé)光譜調(diào)制的W18O49電致變色模塊，實(shí)現(xiàn)了高效的自供電光熱管理。在著色階段，外部的光伏模塊將吸收的高能紫外光子轉(zhuǎn)化為電能并建立驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)，促使凝膠電解質(zhì)中的H+離子注入原本透明的W18O49納米線薄膜中，生成藍(lán)色的HXW18O49，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)可見光與近紅外光的動(dòng)態(tài)調(diào)制。在漂白階段，通過短路外部電路誘導(dǎo)電子的自發(fā)復(fù)合以消除內(nèi)部電場(chǎng)，促使H+離子重新脫出并返回電解質(zhì)中，使器件可逆地恢復(fù)至初始的無色透明狀態(tài)。

圖2. 集成PSC-ECW器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和光學(xué)特性。a，八層W18O49 NW薄膜的SEM圖像。b，glass/ITO/c,m-TiO2/MAPbCl3/Spiro-OMeTAD/ITO太陽能電池器件的截面SEM圖像。c，1個(gè)太陽光條件下集成裝置PSC的J-V曲線。d，除去ITO背景后，PSC-ECW器件在有色/漂白狀態(tài)下的光學(xué)照片和透射光譜。e，集成器件在有色/漂白狀態(tài)下的太陽輻照光譜。f，PSC-ECW器件在不同溫度下有色/漂白狀態(tài)的透射光譜。g，循環(huán)穩(wěn)定性測(cè)量，記錄640 nm/1100 nm處顯色和漂白狀態(tài)下100次循環(huán)的透光率變化。h，集成太陽能電池電致變色器件性能比較。

要點(diǎn)總結(jié)：

圖2展示了集成器件的結(jié)構(gòu)與各項(xiàng)光學(xué)性能。本研究通過溶劑熱法制備W18O49納米線，并利用LB膜技術(shù)將其組裝為電致變色電極，同時(shí)采用多步旋涂和改良離子交換法制備以寬帶隙MAPbCl3為光敏層的高透明鈣鈦礦太陽能電池，最終構(gòu)建了集成式自驅(qū)動(dòng)PSC-ECW智能窗器件。在器件中，PSC負(fù)責(zé)吸收紫外光并產(chǎn)生光電壓和光電流，以驅(qū)動(dòng)W18O49電致變色層實(shí)現(xiàn)透明態(tài)與著色態(tài)之間的可逆轉(zhuǎn)換。通過控制W18O49納米線層數(shù)為8層，使器件在保持86.8%高平均可見光透過率的同時(shí)，表現(xiàn)出優(yōu)異的可見光和近紅外光調(diào)制能力，在640nm和1100nm處的透過率調(diào)制幅度最高分別達(dá)到43%和57%，著色態(tài)下可阻擋66.3%的太陽輻射，展現(xiàn)出良好的光熱管理潛力。此外，器件在80 °C高溫下仍能保持超過90%的光調(diào)制能力，經(jīng)過100次連續(xù)循環(huán)后調(diào)制率仍保持約80%，說明其具備較好的熱穩(wěn)定性和循環(huán)可靠性。

與已有集成太陽能電池-電致變色器件相比，本PSC-ECW器件在光學(xué)性能方面展現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)，尤其是在高可見光透過率、寬光譜調(diào)制能力和近紅外阻隔效果方面表現(xiàn)突出；盡管其能量轉(zhuǎn)換效率相對(duì)有限，但這種以強(qiáng)化光學(xué)調(diào)控為核心的設(shè)計(jì)更符合智能窗對(duì)采光、遮陽和熱管理的實(shí)際需求，因此具有更高的應(yīng)用價(jià)值。

圖3. PSC驅(qū)動(dòng)的ECW太陽調(diào)制性能。a，PSC供電ECW的等效電路圖。b，在PSC提供能量條件下，不同W18O49薄膜層ECW的原位透射光譜。c，在PSC提供能量條件下，不同W18O49薄膜層ECW在640nm處的調(diào)制率。d，不同老化時(shí)間PSC-ECW的動(dòng)態(tài)透射比響應(yīng)（在640 nm下監(jiān)測(cè)）。e，在0-1.0個(gè)太陽光照下，PSC供電的ECW的透射光譜。f，在0-1.0個(gè)太陽光照下，PSC供電的ECW的640nm處的調(diào)制率。g，在640 nm處監(jiān)測(cè)的響應(yīng)時(shí)間曲線。h，PSC供電ECW在光照和黑暗條件下的動(dòng)態(tài)透射率變化。

要點(diǎn)總結(jié)：

圖3驗(yàn)證了PSC驅(qū)動(dòng)的ECW在太陽能驅(qū)動(dòng)下的光調(diào)制能力、環(huán)境穩(wěn)定性和自適應(yīng)響應(yīng)特性。該系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了由紫外光驅(qū)動(dòng)的自適應(yīng)光譜調(diào)制。實(shí)驗(yàn)表明，隨著W18O49納米線層數(shù)的增加，器件的光調(diào)制能力穩(wěn)步提升，且PSC產(chǎn)生的電能可以達(dá)到與獨(dú)立電源驅(qū)動(dòng)相當(dāng)?shù)恼{(diào)制水平。在穩(wěn)定性方面，該器件在真實(shí)環(huán)境測(cè)試中展現(xiàn)出卓越的耐受性，在936小時(shí)內(nèi)輸出電壓僅輕微下降8%，確保長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定供電。

該系統(tǒng)具有自適應(yīng)特性，其輸出電壓隨入射光強(qiáng)（0.2至1個(gè)太陽光）動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，驅(qū)動(dòng)光調(diào)制率實(shí)現(xiàn)從3.8%到34.9%的階梯式增長(zhǎng)，從而在不同光照條件下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的光學(xué)管理。盡管受限于內(nèi)部阻抗使得響應(yīng)時(shí)間（著色68s，漂白36s）略慢于獨(dú)立器件，但仍在實(shí)際應(yīng)用可接受范圍內(nèi)，不影響其功能實(shí)現(xiàn)。其在實(shí)際氣象條件下的表現(xiàn)極具實(shí)用價(jià)值：在多云時(shí)保持86%的高透光率，晴天則自發(fā)切換至47%的遮蔽態(tài)，且在長(zhǎng)期運(yùn)行中電壓始終維持在工作閾值之上，充分證明了其作為全天候智能窗的可靠性。

圖4. PSC-ECW的溫度調(diào)節(jié)性能。a，PSC-ECW的兩種運(yùn)行模式及工作原理示意圖。b，室內(nèi)降溫性能的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。c，在100mW cm-2模擬太陽輻照下，配備PSC-ECW的模型測(cè)試腔與商用玻璃的溫度變化。d，紅外攝像機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中心黑體溫度的圖像。e，在100mW cm-2模擬太陽輻照下，配備PSC-ECW與商用玻璃的腔室內(nèi)室溫（T-R）、最高黑體溫度（T-BM）和平均黑體溫度（T-BA）的比較。f，戶外實(shí)驗(yàn)裝置及環(huán)境天氣狀況的照片。g，h，實(shí)際環(huán)境下，配備PSC-ECW與商用玻璃窗的腔室內(nèi)溫度變化曲線與平均溫度對(duì)比。

要點(diǎn)總結(jié)：

圖4驗(yàn)證了PSC-ECW在模擬太陽光和真實(shí)戶外環(huán)境下的溫度調(diào)節(jié)能力。PSC-ECW具備自適應(yīng)控溫能力，可隨環(huán)境光強(qiáng)自動(dòng)在透光采光與著色隔熱之間切換。模擬太陽光測(cè)試表明，在100mW cm-2氙燈照射20min后，商業(yè)玻璃模型的室內(nèi)空氣溫度和黑體溫度分別升至61.6℃和65.9℃；而采用 PSC-ECW 后，閉路工作狀態(tài)下兩者分別降至51.5℃和55.4℃，體現(xiàn)出明顯的隔熱降溫效果。戶外白天實(shí)測(cè)進(jìn)一步驗(yàn)證，上午光照較弱時(shí)器件維持漂白態(tài)，午間隨輻照增強(qiáng)自動(dòng)切換至有色態(tài)以遮擋可見光和近紅外光，最大實(shí)現(xiàn)11.9°C的降溫，之后又隨光強(qiáng)減弱恢復(fù)透明。統(tǒng)計(jì)分析顯示，主要工作時(shí)段內(nèi)平均室內(nèi)溫度較商用玻璃分別降低3.5°C（開路）和8.8°C（閉路），且連續(xù)多日的戶外測(cè)試表明其在不同天氣條件下均具有良好的再現(xiàn)性與穩(wěn)定的自適應(yīng)切換能力。

圖5. PSC-ECW節(jié)能模擬。a，b，晴天與多云條件下的智能窗設(shè)計(jì)圖。c，在深圳氣候條件下，全年12個(gè)月將PSC-ECW應(yīng)用于建筑天窗的能耗情況及相應(yīng)的CO2減排量。d，選取來自不同氣候區(qū)的6個(gè)代表性城市評(píng)估將PSC-ECW應(yīng)用于建筑天窗的節(jié)能效果。e，配備PSC-ECW建筑模型的全球節(jié)能分布圖。

要點(diǎn)總結(jié)：

圖5通過建筑能耗模擬評(píng)估了PSC-ECW的節(jié)能潛力。全尺寸建筑模型的模擬結(jié)果顯示，在深圳這樣典型的高能耗城市中，該智能窗相較商用玻璃每年可實(shí)現(xiàn)145.9MJ m-2的節(jié)能效果（相當(dāng)于每年每平方米減少40.4kg的CO2排放），并且得益于其出色的透光率，冬季微小的采暖需求增加對(duì)整體能耗的影響可忽略不計(jì)。從全球范圍的六大代表性城市評(píng)估來看，PSC-ECW在熱帶地區(qū)年節(jié)能率超過30%，溫帶地區(qū)亦高于10%，其中印度印多爾年節(jié)能高達(dá)293.4MJ m-2；全球模擬結(jié)果呈現(xiàn)明顯的地理分布規(guī)律，即低緯度高日照地區(qū)節(jié)能效果最為突出，但在高緯度地區(qū)仍保有可觀收益。

總結(jié)與展望

本文開發(fā)了一種通過垂直集成工藝制備的一體式自供電PSC-ECW智能窗。該器件利用太陽光紫外波段發(fā)電，驅(qū)動(dòng)電致變色層動(dòng)態(tài)調(diào)控可見與近紅外光透過，實(shí)現(xiàn)了無外接電源的自適應(yīng)光熱管理。該器件不僅具備寬域的溫度/透過率調(diào)節(jié)范圍及良好的循環(huán)穩(wěn)定性，其架構(gòu)更具有普適性，可拓展至多種電致變色體系以實(shí)現(xiàn)按需調(diào)控。進(jìn)一步，通過優(yōu)化鈣鈦礦、電荷傳輸層以及電極層的界面匹配，以降低電壓損失提升光伏輸出來改善器件光伏調(diào)制性能，將有望推動(dòng)該智能窗在零碳建筑中的應(yīng)用推廣。