自發(fā)電智能變色玻璃

西北工業(yè)大學(xué)

袁楚涵，張更更，邱泉潤，周星宇，李承霖

1 作品介紹

自發(fā)電智能變色玻璃基于透明光伏發(fā)電系統(tǒng)、電致變色玻璃、系統(tǒng)集成等核心技術(shù)開發(fā)。項(xiàng)目針對目前研究中透明電池效率和發(fā)電與光線調(diào)控一體化問題提出透明太陽能電池與智能玻璃集成化，采用低成本的透明光伏電池為電致變色窗提供動力來源，無需外接線路，具有節(jié)約能源、減少布線、吸收熱輻射和調(diào)控入射光強(qiáng)等功能，提高了光電轉(zhuǎn)化效率，實(shí)現(xiàn)了發(fā)電與調(diào)光的同步。此外，項(xiàng)目自主開發(fā)集成系統(tǒng)，增加了基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程調(diào)控功能，可適應(yīng)不同場景。

該智能玻璃可應(yīng)用于家用門窗、汽車玻璃、飛機(jī)舷窗等處，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)光及熱耗散的調(diào)節(jié)，并保護(hù)隱私。白天陽光充裕，智能玻璃可實(shí)現(xiàn)自供能，光伏系統(tǒng)為變色玻璃供電，并將多余電能儲存在蓄電池中；夜晚、陰天時光照不足，蓄電池放電使玻璃能夠正常使用；若長時間陽光不足，可通過外接電源供電。

2 技術(shù)原理說明

項(xiàng)目小組選用SnO2-TiO2復(fù)合電子傳導(dǎo)層作為電子傳輸材料，以ITO/FTO導(dǎo)電玻璃作為透明導(dǎo)電基底材料。前期選定MAPbCl3制備光伏電池，實(shí)現(xiàn)對紫外光的吸收，選擇 PbCl2制備電子傳輸層，以Spiro-OMeTAD層作為空穴傳輸層，選定ITO/FTO制備透明電極。后續(xù)不斷改善反應(yīng)條件和具體參數(shù)，保證各層均正常工作。對試樣進(jìn)行透光率和電壓測試，發(fā)現(xiàn)不可見光透過率為2%，可見光透過率超60%，電壓值為1.5 V，可滿足常規(guī)電子元件供電需求。透明光伏電池透光率測試曲線如圖1所示。

圖1 透明光伏電池透光率測試曲線

本項(xiàng)目采用溶膠-凝膠法制備變色層，通過Cu和Bi在ITO表面進(jìn)行可逆沉積，從而實(shí)現(xiàn)著色與褪色過程。與傳統(tǒng)100～1 000 nm厚度的變色材料不同，金屬由于其高消光系數(shù)，往往在20～30 nm厚度時呈現(xiàn)高度不透明狀態(tài)。玻璃主體由透明導(dǎo)電玻璃（玻璃表面鍍有Pt修飾的ITO）、電解液、銅電極構(gòu)成，外緣采取丁基橡膠真空灌裝，保證密閉性。

項(xiàng)目電路利用光伏電池發(fā)電，通過信號接收器接收外界信號，實(shí)現(xiàn)電壓的主觀調(diào)控，并將電能儲存在蓄電池中，從而實(shí)現(xiàn)智能玻璃變色的主觀調(diào)控。產(chǎn)品模塊設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 產(chǎn)品模塊設(shè)計(jì)

3 作品創(chuàng)新點(diǎn)、應(yīng)用前景和市場

（1）節(jié)能環(huán)保：相比普通玻璃，智能變色玻璃可通過變色功能為建筑內(nèi)部調(diào)節(jié)光線強(qiáng)度，冬季增加陽光照射量，夏季減少陽光照射量，為建筑節(jié)省電能。

（2）應(yīng)用價值：目前市面上的變色玻璃需外接電源線，本產(chǎn)品通過光伏系統(tǒng)自發(fā)電，使用時無需安裝外部線路，集多功能于一體，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。

（3）技術(shù)領(lǐng)先：目前市面上較成熟且應(yīng)用范圍較廣的光致變色玻璃，只能根據(jù)光線強(qiáng)弱被動變色，而本產(chǎn)品具有主觀調(diào)控能力，使用者可自主調(diào)控室內(nèi)光。

（4）市場潛力：據(jù)Credence Research機(jī)構(gòu)公布的報(bào)告顯示，2020—2026年，全球智能玻璃市場將以17.3%的復(fù)合年增長率增長，全球建筑玻璃面積需求到2023年達(dá)135.6億美元。國內(nèi)外智能玻璃市場廣闊。