湖北大学余黎团队AFM:面向高效节能建筑的多功能智能光伏窗户

智能光伏窗户（Smart photovoltaic windows，SPWs）作为一种新型绿色节能技术，可通过有效调节和利用太阳能实现隐私保护、显示、节能和发电等功能，因而成为构建高效节能建筑（Energy-saving buildings，ESBs）的理想载体。

然而，面向节能建筑的实际应用，SPWs仍存在一些瓶颈问题函待解决，如节能效果不够理想、工作模式不可控、循环稳定性差、发电效率低和功能单一。

近日，湖北大学余黎副教授、北京科技大学王茜副研究员和北京大学杨槐教授合作报道了一种具有宽波可调、自驱动和自清洁特性的分体式SPWs，有效提高了SPWs的节能效果、发电效率、工作稳定性和资源利用率，推动了其在ESBs领域的应用。

该研究成果以“Broadband Modulation, Self-driven and Self-cleaning Smart Photovoltaic Windows for High Efficiency Energy Saving Buildings”为题发表在国际学术期刊《Advanced Functional Materials》。

该论文的第一作者是湖北大学材料科学与工程学院硕士生那宗旭与新加坡南洋理工大学博士后梁霄。

分体式SPWs的结构设计

分体式SPWs由多功能智能变色模块与硅基太阳能电池模块所构成（图1）。

其中，多功能智能变色模块主要包含SiO₂超疏水层、具有近晶--手性向列相相转变的PSLCs可见光调节层、ITO电热层和VO₂@SiO₂/PU纳米复合材料近红外光调节层。

这种巧妙的结构设计赋予了SPWs优异的太阳光调节能力、稳定可控的工作模式、较高的发电效率和较好的环境适应性。

图1. SPWs的结构示意图和工作机制

分体式SPWs的宽波可调特性

利用分子结构设计和组成调控，赋予具有近晶-手性向列相相转变的PSLCs和VO₂纳米材料相同的相转变温度（60 ^oC）。

通过结合具有近晶-手性向列相相转变的PSLCs和VO₂纳米材料在可见光和近红外光波段出色的调节性能，从而实现SPWs的宽波可调特性（380 – 2500 nm），达到理想的节能效果（图2）。

图2. SPWs的宽波调节特性和节能效果

分体式SPWs的自驱动特性

基于ITO电热层卓越的直流电热性能和硅基太阳能电池稳定高输出电压（7 V），较低的太阳光（20 mw/cm²）仍然可以驱动具有近晶-手性向列相相转变的PSLCs和VO₂@SiO₂/PU纳米复合材料的变色行为，实现SPWs透明度的可控调节，为其稳定工作提供了保障（图3）。

图3. SPWs的自驱动特性

分体式SPWs的自清洁特性

透明的SiO₂超疏水层赋予了SPWs自清洁特性，可有效降低清洁窗户所需的水资源消耗，并保证SPWs在不同天气条件下都具有较好的视野。

此外，SiO₂超疏水层具有较好的耐酸和冲刷性能，满足SPWs在ESBs实际应用中的需求。

图4. SPWs的自清洁特性

来源：高分子科学前沿

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