创新

新型节能发电窗技术

可同时实现高效节能与透明发电

●创新点

近年来，全球建筑总面积大幅增长，建筑能耗逐年攀升。根据国际能源署(IEA)统计，建筑及其相关能耗已占全球总能耗的1/3 以上，建筑用能对全球二氧化碳排放的“贡献率”接近40%。因此，利用建筑物实现节能甚至发电成为推动城市绿色发展的重要举措，对全面实现节能减排、达成碳中和远景目标具有重要意义。窗户作为建筑物与外界环境最主要的热交换通道，占据建筑物流入/ 流失能量的50%，利用窗户进行节能和发电是对屋顶、墙面利用的一种有力补充。现有发电窗技术主要是将透明光伏电池与建筑玻璃相结合，但提高发电效率往往以牺牲窗户透明度为代价。例如，超薄钙钛矿太阳能电池效率可达13.6%，但平均可见光透射率只有7%。冷光太阳能集中器呈现出88%的高透射率，发电效率却低于0.5%。当前，多结太阳能电池有望成为保障透明度和提高发电效率的最佳选择，但也存在一系列问题，如产生的红外热负荷可能导致器件可靠性降低、使用寿命变短等。此外，透明光伏电池还受到诸如光损失、电损失、空气敏感性等问题的限制。最近，中国科学院上海硅酸盐研究所的科学家与德国、英国的研究团队合作提出了一种基于“光-热-电转换”的节能发电窗技术，采用波长选择性吸收薄膜与热电器件耦合，将太阳热能转化为电能。

●方法和结果

研究团队设计开发出“光-热-电转换”演示系统，将具有波长选择性吸收的薄膜集成在透明玻璃上，该薄膜由Cs0.33WO3和树脂组成，具有高达88%的可见光透过率，同时可以选择性地吸收紫外光和红外光，从而在不牺牲窗户透明度的前提下将吸收的光转化为热。太阳热被波长选择性吸收薄膜收集，定向传导至分布于玻璃边缘区域的热电器件，并被其转换成电能。该系统将薄膜与热电发电耦合起来，在0.01 m2的阳光照射下可产生大约4 V 的输出电压。研究表明，该节能发电窗技术可以利用光热和热电效应，真正做到将能量转换效率与窗户的光学透明度解耦，实现两者的独立调控。同时，由于波长选择性吸收薄膜将紫外光和近红外光从太阳光谱中去除，该技术可以减轻建筑物的冷负荷，兼具高效节能和透明发电等优点，系统节能效果与低辐射玻璃相当。

应用前景

考虑到Cs0.33WO3/树脂复合膜的诸多优点以及热电发电的固有优点，“光-热-电转换”节能发电窗技术在各类建筑窗户上具有很大的应用潜力。它能够提供与透明光伏技术不同的工作机制来收集太阳能和现场发电，帮助建筑实现净零能耗。

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