節(jié)能建筑是一項(xiàng)新興的綠色技術(shù)，它可以顯著降低建筑相關(guān)的制冷和供暖能耗，以滿足社會(huì)對(duì)碳中和和可持續(xù)發(fā)展的需求。智能光伏窗(SPW)具有調(diào)節(jié)和利用太陽能的能力，為節(jié)能建筑提供了一個(gè)很有前途的解決方案，但其很難在不同天氣條件下實(shí)現(xiàn)卓越的節(jié)能效果。通過組裝鈣鈦礦型太陽能電池和寬帶熱管理單元BTMU，本研究提出了一種適用于全季節(jié)且具有卓越節(jié)能效果的三波段調(diào)節(jié)的分離式智能光伏窗，在實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電壓降低28.1%的同時(shí)，保持了其高的太陽透過率(TSOL=83.8%，透明態(tài))和太陽調(diào)制能力(ΔTSOL=80.5%)。此外，該光伏窗還具有工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)的潛力，在實(shí)際生活中有巨大的應(yīng)用前景。相關(guān)工作以Tri?Band Regulation and Split?Type Smart Photovoltaic Windows for Thermal Modulation of Energy?Saving Buildings in All?Season為題發(fā)表在Nano-Micro Letters期刊。

寬帶熱管理單元(BTMU)由電響應(yīng)的聚合物分散液晶PDLC、透明高發(fā)射率的SiO2被動(dòng)輻射冷卻(PRC)和Ag-低發(fā)射率層組成。通過組裝BTMU和鈣鈦礦型太陽能電池，本研究提出了用于全季節(jié)建筑節(jié)能的三波段調(diào)節(jié)的分離式智能光伏窗，其具體示意圖和光學(xué)性能如圖1所示。所設(shè)計(jì)的SPW具有對(duì)可見光(380-780 nm)、近紅外(NIR，780-2500 nm)和中紅外(MIR，8-13μm)的寬帶調(diào)制能力，在整個(gè)季節(jié)都具有出色的節(jié)能效果。

PDLC的具體制備方式、微觀圖像和透射光譜如圖2所示。通過調(diào)節(jié)A-HG(含羥基的丙烯酸酯)和POSS(籠型聚倍半硅氧烷)的含量，可以在降低驅(qū)動(dòng)電壓，實(shí)現(xiàn)透明與不透明的切換的同時(shí)，提高太陽調(diào)制能力(ΔTSOL=80.5%)。

研究通過噴涂技術(shù)在PDLC的上下表面涂覆了SiO2納米顆粒(可見光和近紅外區(qū)域低吸光度，MIR區(qū)域高發(fā)射率)和Ag納米線(可見光和近紅外區(qū)域高透明度，MIR區(qū)域高反射率)制備了BTMU，為SPW賦予太陽能電池理想的全季節(jié)能效果(圖3)，并調(diào)整噴涂次數(shù)使SPW在冷熱季節(jié)都能獲得最佳的節(jié)能效果。

所制備的SPW節(jié)能性能評(píng)價(jià)如圖4所示。實(shí)驗(yàn)證明了BTMU在高透明下的升溫能力和低透明下降溫能力，并通過對(duì)比僅有PDLC的SPW驗(yàn)證了SiO2層的PRC效應(yīng)和Ag-低發(fā)射率層的隔熱功能。以普通玻璃為基準(zhǔn)，設(shè)計(jì)的太陽能電池每年可節(jié)省16.7%的建筑采暖和空調(diào)能耗，每年可減少約16.9噸的碳排放。

圖1. (a)用于節(jié)能建筑的全季節(jié)使用的三波段調(diào)控的分離式智能光伏窗SPWs照片，以及BTMU的結(jié)構(gòu)示意圖。(b)透明和不透明狀態(tài)下的聚合物分散液晶PDLC的透射率(0.38-2.5μm)，以及SiO2、PRC和Ag層的MIR發(fā)射率(7.0-20μm)。(c)熱季(左)和冷季(右)SPW的工作原理。

圖2. (a)用于制造低電壓驅(qū)動(dòng)、快速響應(yīng)、耐疲勞、具備可見光和近紅外調(diào)制能力的PDLCs的聚合物單體的化學(xué)結(jié)構(gòu)(左)。用于制造PDLC的卷到卷技術(shù)示意圖(中)。已制備好的PDLCs照片(右)。(b)在0 V和30 V電壓下的PDLC照片(上)。PDLC中處于透明和不透明狀態(tài)的SMLC對(duì)齊示意圖(下)。(c)不同A-HG含量的PDLC在透明(0 V)和不透明(30 V)狀態(tài)下(0.38-2.5μm)的透射光譜。(d)不同A-HG含量的PDLCs的飽和電壓(VSAT，驅(qū)動(dòng)電壓)和(e)掃描電子顯微鏡(SEM)圖像，刻度尺為6微米。(f)不同POSS含量的PDLC的電光曲線。(g)在透明(0 V)和不透明(30 V)兩種狀態(tài)下，測(cè)量了不同POSS含量的(0.38-2.5 μm)PDLC的透射光譜。(h) PDLC的自動(dòng)供電功能。

圖3. (a)制造BTMU的噴涂工藝示意圖。(b)不同噴涂循環(huán)次數(shù)制備的SiO2PRC層的透過率光譜(0.38-2.5 μm)和MIR發(fā)射率(7.0-20 μm)。(c)在60℃的熱臺(tái)上獲得的不同噴涂循環(huán)次數(shù)的SiO2PRC層的紅外圖像。(d)不同噴涂循環(huán)數(shù)制備的銀低發(fā)射率涂層的透射率光譜(0.38-2.5 μm)和MIR發(fā)射率(7.0-20 μm)。(e)在60°C的熱臺(tái)上，研究了頂面涂覆銀低發(fā)射率層的PDLC(60個(gè)噴涂循環(huán)，PDLCs-A-t)、以及底部涂覆SiO2PRC層的PDLC(60個(gè)噴涂循環(huán)，PDLCs-S-b)的紅外圖像。

圖4. (a)SPW節(jié)能性能評(píng)價(jià)裝置的照片和示意圖。(b)氙燈和(c)紅外燈作為太陽模擬器時(shí)，在不同窗口狀態(tài)(BTMU和PDLCs)下，太陽照射和未照射過程中的室內(nèi)溫度變化曲線。(d)北京氣候條件下SPW和普通玻璃窗的月能耗。(e)根據(jù)SPW的工作模式每月產(chǎn)生的SPW發(fā)電量。(f)基于節(jié)約的能源消耗和發(fā)電量估算的每月減少的二氧化碳排放量。

小結(jié)：本研究通過組裝BTMU和鈣鈦礦型太陽能電池，展示了一種三波段調(diào)節(jié)的分離型智能光伏窗，實(shí)現(xiàn)了可見光、近紅外和中紅外區(qū)域的寬帶調(diào)制能力，顯著提高建筑的節(jié)能效果，為節(jié)能建筑在現(xiàn)實(shí)世界中的應(yīng)用創(chuàng)造廣闊的前景，推動(dòng)碳中和目標(biāo)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的實(shí)現(xiàn)。

論文信息：Wang, Q., Na, Z., Gao, J., Yu, L., Chen, Y., Gao, P., et al. (2026). Tri-Band Regulation and Split-Type Smart Photovoltaic Windows for Thermal Modulation of Energy-Saving Buildings in All-Season. Nano-Micro Letters, 18(1).

doi: https://doi.org/10.1007/s40820-025-01985-w

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