新型自供电系统：让智能窗户更智能！
导读
为了让智能窗户实现自供电，最近美国普林斯顿大学的研究人员开发出一种特殊的透明太阳能电池，它可以有选择性地吸收近紫外光，从而让智能窗户实现完全自供电，且这项技术成本低廉、便于安装、也不影响现有的窗户设计和美观。
关键字
背景
一般来说，炎炎夏日，我们会希望尽可能地将太阳光挡在室外，减少室内空调的开销；寒冷冬日，我们则希望尽可能地让太阳光进入室内，减少室内取暖的开销。有一项前沿科技可以帮助我们实现这一需求，它就是：智能窗户。
智能窗户能够智能地感知外界光线变化并作出反应，它依靠特殊的材料来实现这些功能。这些材料主要分为电致变色、光致变色、热致变色这几大类。简单说，这些材料会随着电、光、热等外界条件变化而改变自身颜色和透光特性，有效地控制太阳辐射能量进入室内，以达到建筑节能的目的。
与这些材料相关的科学研究非常多，笔者之前重点介绍和关注的是电致变色材料。电致变色是指材料的光学特性，在外部电场作用下发生稳定、可逆的颜色变化的现象，在外观上表现为颜色和透明度的可逆变化。
例如，笔者曾在《新材料SmNiO3：应用于智能窗户 动态控制光线》一文中介绍过美国哥伦比亚大学科学家开发的新型相变光学材料SmNiO3。这种材料经过电调谐后，可以在更宽的波长和调制幅度范围内，动态地控制光线，不仅可用于智能窗户和智能涂料，还可用于反红外侦察，光学存储器件，光通信等领域。
另外，笔者也在《新的 "智能窗户" 材料选择性的阻挡光（和/或）热》一文中，介绍过美国德克萨斯大学奥斯汀分校研究人员利用掺杂铌的二氧化钛纳米晶体材料，动态地控制太阳辐射的透过率，可以有选择性的允许可见光通过，阻挡热量（冷却模式）；相反地，阻挡可见光，让热量传输（加热模式）通过。另外，这项技术还可以在这两种模式间迅速切换，仅仅需要几秒钟。
（图片来源：纳米快报杂志）
但是，含有电致变色材料的智能窗户为了保证正常运作，也需要有能量供应。因此，在现有建筑中安装这些智能窗户，其过程会显得相对复杂，例如要连接电源、进行布线等等。
创新
针对上述问题，美国普林斯顿大学的研究人员采用了新型太阳能技术。他们开发出了一种特殊的智能窗户：一种“自供电”的版本，且成本低廉，便于在现有的窗户上安装应用。该系统采用太阳能电池有选择性的吸收近紫外光，从而实现完全自供电。这项研究的论文于6月30日发表于《自然能源》杂志。
研究团队和他们的实验室
（图片来源：普林斯顿大学）
该校 Andlinger 能源中心主任 Yueh-Lin (Lynn) Loo 教授称：
“太阳光是电磁辐射的混合物，由近紫外射线、可见光和红外线（热量）组成。我们想通过智能窗户动态控制自然光线的量和能够进入室内的热量，节约能耗以及让空间变得更加舒适。”
这种智能窗户能够控制进入建筑内部的可见光和红外线，而这种新型太阳能电池使用近紫外线为系统运行提供能量。
技术
（图片来源：David Kelly Crow）
由于近紫外光对于人眼来说是不可见的，所以研究人员打算利用它作为激活这种“变色技术”所需要的电能。
根据研究人员在论文中的描述，他们采用有机半导体，弯曲的六苯并蒄(cHBC)衍生物，制造这种太阳能电池。他们之所以选择这种材料，是由于它的化学结构可以修改，用于吸收窄波段的光线。制造这种太阳能电池的方法，与有机发光二极管制造商所用的制造方法相同，就是将半导体分子沉积在玻璃上形成薄膜。当太阳能电池运行时，太阳光激发 cHBC 半导体产生电能。
同时，研究人员设计的这种智能窗户也由电致变色聚合物组成，它可以控制变色，可完全由太阳能电池产生的能量维持运行。当从太阳发出的近紫外光在太阳能电池中产生电荷，电荷将会触发电致变色窗户中的反应，让它从透明变为深蓝。一旦颜色变暗，智能窗户将阻挡80%的光线。
价值
对于这项研究的价值，我们先看看研究人员怎么说。化学和生物工程专业教授、论文作者之一 Loo （这项技术在她的实验室开发）称：
“这项新技术实际上是对于太阳光的整个光谱的智能管理。”
Loo 补充道：
“使用近紫外光为这些智能窗户供电，意味着太阳能电池可以是透明的，并且可以和窗户占用同样的空间，而不会在相同的光谱范围内产生竞争，或者带来审美和设计方面的限制。一般由硅制成的太阳能电池是黑色的，因为它们吸收所有的可见光和一些红外线，所以那些太阳能电池对于这项应用来说不合适。”
论文的领导作者、化学和生物工程系的博士研究生Nicholas Davy 称，其他研究人员已经开发出透明的太阳能电池，但是这些电池的目标是红外能量。然而红外能量携带热量，所以使用红外能产生电能，将和智能窗户控制进出建筑的热量流的功能发生冲突。换句话说，透明的近紫外线太阳能电池不会像红外版本的太阳能电池一样产生许多能量，但是它不会阻碍红外辐射的传输，所以他们补充了智能窗户的功能。
Davy 称普林斯顿大学的团队旨在设计一种柔性、自供电的智能窗户系统，能够通过层压应用于现有的窗户。Davy 称：
“某人在他的房屋或者公寓里，将采用这些无线智能窗户层压制品（它具有剥离的粘性的支撑），且将它们安装到窗户的内部。那么你将可以通过手机应用程序（app）控制进入房间的太阳光，从而迅速提高能量效率、舒适度和隐私。”
美国国家可再生能源实验室的高级研究科学家Joseph Berry，对于太阳能电池有一些研究，但是没有参与这项研究，他说这个研究项目很有趣，因为这种器件具有良好扩展性，并且针对特定部分的太阳光谱。Berry 说：
“将太阳能电池集成到智能窗户中，让它们对于改造来说更有吸引力，且你无需布线连接电源。电压性能也很好。他们创造出的电压可以直接驱动电子器件，从技术来说，它非常有趣。”
未来
基于论文中描述的技术，Davy 和 Loo 已经创办了一家称为“Andluca Technologies”的新公司，并且正在准备拓展这种透明太阳能电池的其他应用。他们解释这种近紫外的太阳能电池技术也可以为物联网（IoT）传感器和其他低功耗消费电子产品供电。Loo 说：
“它无法为汽车提供足够的能量，但是它能够为小型设备提供辅助的能量，例如风扇，当汽车在酷热的阳光下停泊时，用它为汽车降温。”
参考资料
【1】http://www.princeton.edu/engineering/news/archive/?id=17950
【2】https://www.nature.com/articles/nenergy2017104
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