炎炎夏日，家里和辦公室如果不開空調(diào)，估計很快就會有人抓狂。特別是那些家里有大飄窗或者辦公室所在寫字樓使用玻璃幕墻的人們，一邊是從窗子投射進來的“溫暖”陽光，一邊是努力工作噴出冷氣的空調(diào)，一個夏季下來，耗電量會十分驚人。以美國為例，家庭及辦公樓的耗電量占到了總用電量的75%，以及總能源消耗量的40%。普通窗戶無法阻止熱量隨著陽光進入，是問題的關(guān)鍵原因之一。
解決方案估計很多人都想到過，那就是將普通的玻璃窗變成能吸收太陽能發(fā)電的智能窗。這樣一來，原本要進入室內(nèi)的太陽能會被太陽能窗戶給吸收掉，并轉(zhuǎn)換成電能為建筑物供電，豈不兩全其美？不過事情遠(yuǎn)沒有那么簡單，傳統(tǒng)的硅基太陽能電池根本不透光，用它們做窗戶就等于是給自己造了一個小黑屋。材料科學(xué)家也曾把吸光薄膜整合到玻璃里，所得到的半透明窗戶既能發(fā)電又能透過一定的光。但是，這類太陽能窗的顏色看起來往往是發(fā)暗的紅色或棕色，與人們心中傳統(tǒng)的“窗明幾凈”要求想去甚遠(yuǎn)，外觀賣相很成問題?？茖W(xué)的探索從未止步，近期的一系列研究提出了太陽能窗新技術(shù)，可以選擇性地只吸收紫外或者近紅外光，而讓可見光毫無阻礙地通過。這樣一來，太陽能窗的外觀就會和普通玻璃窗一樣澄清透明，同時還能吸收紫外及近紅外光發(fā)電，并將多余熱量擋在了室外。美國密歇根大學(xué)的Richard Lunt教授是這個領(lǐng)域內(nèi)的領(lǐng)軍人物之一，他的課題組制備了幾乎完全透明的有機光伏器件，僅僅吸收紫外光及近紅外光，光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)5%。[1]
僅吸收紫外光及近紅外光的透明有機光伏器件。圖片來源：Nat. Energy [1]
說到太陽能電池和光伏器件，光電轉(zhuǎn)換效率是個不能不提的性能參數(shù)。大多數(shù)太陽能電池，例如目前市場上占主導(dǎo)的標(biāo)準(zhǔn)硅基太陽能電池，犧牲透明度換取光電轉(zhuǎn)換效率的最大化，最好的硅基電池的效率可以達(dá)到25%。同時，另外一種不透明的太陽能電池的效率也悄悄接近了22%，那就是鈣鈦礦太陽能電池。鈣鈦礦材料不僅比硅更便宜，而且它們的性質(zhì)可調(diào)，可通過改變其組成來讓它們選擇性地吸收特定頻率的光。
在近期的Joule雜志上，Richard Lunt團隊又報道了他們在這一領(lǐng)域的最新進展。[2] 他們通過調(diào)整鹵化物鈣鈦礦的材料組成，開發(fā)了一類只吸收紫外光（波長410-440納米）的透明光伏器件，透明度超過99%。盡管光電轉(zhuǎn)換效率較低，只有0.5%，但是卻足以為另外一種智能窗技術(shù)——按需變暗玻璃（on-demand darkening glass）提供工作所需的能量。按需變暗玻璃可以在太陽光照較強的時候變暗，以阻止過多陽光進入室內(nèi)，從而降低對空調(diào)的需求。Richard Lunt教授樂觀地認(rèn)為他們可以在未來幾年內(nèi)將這種鈣鈦礦器件的光電轉(zhuǎn)換效率提高到4%，如果能夠成功，配合可充電電池，就可以為建筑物的照明及空調(diào)系統(tǒng)供電了。
僅吸收紫外光的透明鈣鈦礦光伏器件。圖片來源：Joule [2]
看到了可以選擇性吸收紫外光和近紅外光的兩種光伏器件，估計不少讀者都會想到如果能把這二者結(jié)合起來，是否可以進一步提高光電轉(zhuǎn)換效率呢？Richard Lunt教授預(yù)測，未來結(jié)合吸收紫外光的鈣鈦礦與吸收近紅外光的有機材料，全透明的光伏器件的光電轉(zhuǎn)換效率有望達(dá)到20%。[3-4]
Richard Lunt教授和他的透明光伏材料。圖片來源：Michigan State University [4]
除了這兩種光伏器件，還有研究者開發(fā)了基于“太陽能熒光聚光器（luminescent solar concentrator，LSC）”的透明太陽能智能窗。在這些窗戶中，量子點可以吸收紫外及近紅外光，并以常規(guī)太陽能電池可以捕獲的波長重新發(fā)射光。重新發(fā)射的光被聚集并從側(cè)面射出，而常規(guī)太陽能電池可以嵌入窗戶四周的框架內(nèi)，吸收這些光而發(fā)電。由于量子點價格便宜，而且只需要少量的電池材料捕獲重新發(fā)射的光，這類透明太陽能智能窗的特點是非常實惠。洛斯阿拉莫斯國家實驗室的Victor Klimov和他的中國合作者們在今年年初在Nature Photonics報道了這個領(lǐng)域的一項突破。[5] 他們制備的基于量子點的疊層式太陽能熒光聚光器，面積可超過230平方厘米，光電轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)3.1%。
基于量子點的疊層式太陽能熒光聚光器原理及實物圖。圖片來源：Nat. Photon. [5]
不過，完全拋棄半透明的太陽能智能窗可能還為時尚早。美國能源部（DOE）不久前還向一家加州的公司提供了250萬美元，資助完善他們基于有機太陽能電池的半透明智能窗。這家公司的半透明太陽能智能窗目前已經(jīng)實現(xiàn)了7%的光電轉(zhuǎn)換效率，盡管比玻璃看起來要暗一些，但由于它吸收的是整個光譜而不是某幾個特定波段的光線，所以不會像以前的半透明窗戶那樣偏紅或偏棕色，外觀改善很多。[3]
家里正在裝修的讀者可能會問在哪里能買到這種節(jié)能的智能窗，很遺憾，雖然研究十分火熱，但這些技術(shù)離上市銷售都有不小的差距。兩個核心問題可能是它們所面臨的最大障礙：材料的毒性和使用壽命。無論是鹵化物鈣鈦礦還是有機半導(dǎo)體，都無法保證像常見的玻璃窗那樣安全，那樣可持續(xù)使用十?dāng)?shù)年甚至數(shù)十年。此外，還有成本問題也需要重視。盡管問題不少，但相信科學(xué)家們解決問題的辦法和智慧一樣不少。未來的建筑，肯定不是現(xiàn)在這樣一停電就傻眼，必然更加智能且更加低碳節(jié)能。
