創新

新型節能發電窗技術

可同時實現高效節能與透明發電

●創新點

近年來，全球建筑總面積大幅增長，建筑能耗逐年攀升。根據國際能源署(IEA)統計，建筑及其相關能耗已占全球總能耗的1/3 以上，建筑用能對全球二氧化碳排放的“貢獻率”接近40%。因此，利用建筑物實現節能甚至發電成為推動城市綠色發展的重要舉措，對全面實現節能減排、達成碳中和遠景目標具有重要意義。窗戶作為建筑物與外界環境最主要的熱交換通道，占據建筑物流入/ 流失能量的50%，利用窗戶進行節能和發電是對屋頂、墻面利用的一種有力補充。現有發電窗技術主要是將透明光伏電池與建筑玻璃相結合，但提高發電效率往往以犧牲窗戶透明度為代價。例如，超薄鈣鈦礦太陽能電池效率可達13.6%，但平均可見光透射率只有7%。冷光太陽能集中器呈現出88%的高透射率，發電效率卻低于0.5%。當前，多結太陽能電池有望成為保障透明度和提高發電效率的最佳選擇，但也存在一系列問題，如產生的紅外熱負荷可能導致器件可靠性降低、使用壽命變短等。此外，透明光伏電池還受到諸如光損失、電損失、空氣敏感性等問題的限制。最近，中國科學院上海硅酸鹽研究所的科學家與德國、英國的研究團隊合作提出了一種基于“光-熱-電轉換”的節能發電窗技術，采用波長選擇性吸收薄膜與熱電器件耦合，將太陽熱能轉化為電能。

●方法和結果

研究團隊設計開發出“光-熱-電轉換”演示系統，將具有波長選擇性吸收的薄膜集成在透明玻璃上，該薄膜由Cs0.33WO3和樹脂組成，具有高達88%的可見光透過率，同時可以選擇性地吸收紫外光和紅外光，從而在不犧牲窗戶透明度的前提下將吸收的光轉化為熱。太陽熱被波長選擇性吸收薄膜收集，定向傳導至分布于玻璃邊緣區域的熱電器件，并被其轉換成電能。該系統將薄膜與熱電發電耦合起來，在0.01 m2的陽光照射下可產生大約4 V 的輸出電壓。研究表明，該節能發電窗技術可以利用光熱和熱電效應，真正做到將能量轉換效率與窗戶的光學透明度解耦，實現兩者的獨立調控。同時，由于波長選擇性吸收薄膜將紫外光和近紅外光從太陽光譜中去除，該技術可以減輕建筑物的冷負荷，兼具高效節能和透明發電等優點，系統節能效果與低輻射玻璃相當。

應用前景

考慮到Cs0.33WO3/樹脂復合膜的諸多優點以及熱電發電的固有優點，“光-熱-電轉換”節能發電窗技術在各類建筑窗戶上具有很大的應用潛力。它能夠提供與透明光伏技術不同的工作機制來收集太陽能和現場發電，幫助建筑實現凈零能耗。

Source:ZHANGQH,HUANGAB,AIX,et al. Transparent Power-Generating Windows Basedon Solar-Thermal-Electric Conversion [J].Advanced Energy Materials, 2021, 2101213.