紫外线作“开关”新型光伏变色智能窗自动调节采光

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紫外线作“开关”新型光伏变色智能窗自动调节采光

你见过这样的智能变色窗吗,它们可以随着太阳光的强弱,自动调节光线强度,改善室内采光;还能将酷热的太阳光直射温度降低超过9℃……6月20日,科技日报记者从南京工业大学获悉,中国科学院院士黄维、南京工业大学教授秦天石课题组的这一最新研究成果在线刊发于《自然·通讯》。

用紫外线作“开关”,控制可见光与红外线的透过率

如今,可动态调节环境采光与温度的智能窗在建筑、汽车、飞机等领域展现出较大的应用潜力。

“但最常见的电致变色智能窗技术,需要外接电源电路,会造成难安装、易损坏、难更换等问题;而光致或热致变色技术,又无法根据实际需求自由开关变色。但光伏变色技术则将自驱动和可控制两大功能集于一身。”论文的通讯作者秦天石说。

不过,目前光伏变色智能窗在集成度上有很大挑战。秦天石说,常用的形式是将太阳能电池与电致变色窗通过外电路连接,但这势必造成光伏电池,也就是太阳能电池占用额外空间,且采用的光伏电池大多并不透光,势必会阻挡光线射入室内,无法实现智能窗的全幅面透光与变色效果,难以应用于玻璃幕墙、全景天窗等产品。针对这一问题,黄维院士、秦天石教授团队设计了一种全幅面高对比变色智能窗,利用对室内环境无用的紫外线作为“开关”,控制可见光与红外线的透过率,从而智能调节室内亮度与温度,最终实现对太阳光全谱段智能管理。

“要实现以上功能,我们首先需要一种全透明的光伏层材料。”秦天石介绍说,与传统的太阳能电池材料不同,这种新型透明光伏层材料并不吸收可见光,因此它们看上去就和普通玻璃一样,但是它们可以吸收人眼不可见的紫外线,再将这部分紫外线的能量转变成电能,从而驱动电致变色层材料,实现智能变色。

正是因为团队采用了自主研发的全透明钙钛矿光伏材料,这种全幅面高对比的一体化变色智能窗才得以实现。与以往利用外部电路连接的光伏电池板驱动的电致变色窗繁冗结构不同,采用全透明光伏层的一体化智能窗采用叠层结构,将光伏层与变色层像三明治一样的夹在两片导电玻璃之间,从而实现了100%的有效空间利用率。

在建筑、高铁、飞行员视觉头盔等领域有应用前景

“这项研究的难点在于,如何提高太阳能电池的透光率。” 论文第一作者、博士生刘有说,“课题组设计了一种基于卤素离子交换的方法,将钙钛矿光伏层浸泡在特定的化学溶剂中,根据浸泡时间的长短来对化学材料中各组分的比例进行调控,使光伏层材料的透光率高达76%。”

值得关注的是,这种智能窗的色彩饱和度、保真度具有高达96的显色指数、大于30%的平均可见光对比度,并具有应对不同太阳辐射强度的高度自适应性。

“所谓自适应性,是指智能窗可根据不同的太阳光照强度展现出不同深度的颜色,根据不同天气自适应调节室内采光。晴天时,智能窗让室外的强光透进来少一点,这样就不刺眼;阴天时,就让光线完全透进来,满足室内照明需求。”刘有说。

这种智能窗在红外光波段也有调节功能,能对红外线进行调控,“变色智能窗通过吸收一部分的红外光,减少红外光的透入,从而能使室内温度降低超过9℃,极大降低了室内对空调降温的能耗需求,这将助力我国实现碳达峰、碳中和的长远目标。”秦天石说。

“目前我们已经设计出该光伏变色器件样品,经过1万次开关测试后,该器件的平均可见光对比度仍然可以基本维持在初始值,证明我们的智能窗的性能是稳定的。”刘有介绍,这一成果在建筑、汽车、高铁、飞机等领域有广泛市场前景。此外,相对于目前的光致变色镜片,该光伏变色器件有着更快的响应时间和更广的动态范围,在防眩目护目镜、飞行员视觉头盔等高端领域也有应用潜力。

来源: 科技日报 作者: 本报记者 金 凤 通讯员 周 伟
责任编辑:田新盛
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