文獻前沿丨Nano-Micro Letters：三波段調控的分體式智能光伏窗用于節能建筑的全季熱調節

節能建筑是一項新興的綠色技術，它可以顯著降低建筑相關的制冷和供暖能耗，以滿足社會對碳中和和可持續發展的需求。智能光伏窗(SPW)具有調節和利用太陽能的能力，為節能建筑提供了一個很有前途的解決方案，但其很難在不同天氣條件下實現卓越的節能效果。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且具有卓越節能效果的三波段調節的分離式智能光伏窗，在實現驅動電壓降低28.1%的同時，保持了其高的太陽透過率(TSOL=83.8%，透明態)和太陽調制能力(ΔTSOL=80.5%)。此外，該光伏窗還具有工業化大規模生產的潛力，在實際生活中有巨大的應用前景。相關工作以Tri?Band Regulation and Split?Type Smart Photovoltaic Windows for Thermal Modulation of Energy?Saving Buildings in All?Season為題發表在Nano-Micro Letters期刊。

寬帶熱管理單元(BTMU)由電響應的聚合物分散液晶PDLC、透明高發射率的SiO2被動輻射冷卻(PRC)和Ag-低發射率層組成。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建筑節能的三波段調節的分離式智能光伏窗，其具體示意圖和光學性能如圖1所示。所設計的SPW具有對可見光(380-780 nm)、近紅外(NIR，780-2500 nm)和中紅外(MIR，8-13μm)的寬帶調制能力，在整個季節都具有出色的節能效果。

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

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

所制備的SPW節能性能評價如圖4所示。實驗證明了BTMU在高透明下的升溫能力和低透明下降溫能力，并通過對比僅有PDLC的SPW驗證了SiO2層的PRC效應和Ag-低發射率層的隔熱功能。以普通玻璃為基準，設計的太陽能電池每年可節省16.7%的建筑采暖和空調能耗，每年可減少約16.9噸的碳排放。

圖1. (a)用于節能建筑的全季節使用的三波段調控的分離式智能光伏窗SPWs照片，以及BTMU的結構示意圖。(b)透明和不透明狀態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)用于制造低電壓驅動、快速響應、耐疲勞、具備可見光和近紅外調制能力的PDLCs的聚合物單體的化學結構(左)。用于制造PDLC的卷到卷技術示意圖(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的SMLC對齊示意圖(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，驅動電壓)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)兩種狀態下，測量了不同POSS含量的(0.38-2.5 μm)PDLC的透射光譜。(h) PDLC的自動供電功能。

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

圖4. (a)SPW節能性能評價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，在不同窗口狀態(BTMU和PDLCs)下，太陽照射和未照射過程中的室內溫度變化曲線。(d)北京氣候條件下SPW和普通玻璃窗的月能耗。(e)根據SPW的工作模式每月產生的SPW發電量。(f)基于節約的能源消耗和發電量估算的每月減少的二氧化碳排放量。

小結：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節的分離型智能光伏窗，實現了可見光、近紅外和中紅外區域的寬帶調制能力，顯著提高建筑的節能效果，為節能建筑在現實世界中的應用創造廣闊的前景，推動碳中和目標和社會可持續發展的實現。

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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