智能窗户既能变暗又可发电

钙钛矿制成的窗户不仅能制冷，还能发电。资料来源:Chris Barbalis/Unsplash

近年来，由于钙钛矿晶体材料家族的突然出现，太阳能发电正在经历一场革命。现在钙钛矿正在改造窗户，使其在寒冷的日子里保持透明，但在炎热的夏日阳光下会变暗。

这两个研究小组的报告称，他们已经创造了一种用钙钛矿着色的窗户，这种窗户不仅可以根据温度改变颜色，还可以像太阳能电池一样获得能量。这项新技术有一天可以通过阻挡阳光和发电来帮助建筑物降温。

在透明和不透明之间切换的“智能窗口”已经存在了几十年。例如，波音787梦想飞机使用所谓的“电致变色窗户”，这需要一个外部电源来使窗户变暗。然而，这些窗户未能对建筑市场产生广泛影响，因为它们成本较高，阻挡外界光线的能力不一致，而且对一些人来说，他们对外部电力的需求也不受欢迎。

然而，钙钛矿为智能窗和太阳能窗提供了一种可能的方法。

钙钛矿是一种由具有特定晶体结构的元素和太阳能电池的混合物组成的材料。它将太阳光转化为电能的效率相当于最先进的硅太阳能电池板——最好的钙钛矿可以将太阳光中22%以上的能量转化为电能，而硅的这一比例为25%。

通过改变钙钛矿的元素组成，研究人员也可以控制它们的透明度。此外，钙钛矿的原材料比现有的太阳能电池便宜得多。

结合所有这些特征的第一个进展发生在2017年11月，当时研究人员报告称，他们创造了一种含铅的“钙钛矿太阳能窗口”，当温度达到60摄氏度时，该窗口可以从透明变为不透明。

在较低的温度下，太阳能电池中心的钙钛矿与一种叫做甲胺的有机化合物形成复合物。加热时，甲胺蒸发并与钙钛矿分离，导致后者在吸收阳光的同时变暗。当热量消散时，比如太阳落山或冬天，甲胺蒸气会回到钙钛矿中，使其再次透明。加热的钙钛矿将其能量的11.3%转化为电能。

然而，这种窗户也有它自己的缺点。最大的问题是太阳能电池的效率在几次来回转换后会下降，这可能是因为甲胺还没有完全恢复到钙钛矿的初始晶体结构。

因此，在过去的一年里，由窗户的发明者、科罗拉多州戈尔登市国家可再生能源实验室的化学家内森·尼尔和机械工程师兰斯·惠勒领导的研究小组一直在努力研究不同的钙钛矿配方，以便在没有甲胺化学反应的情况下完成转换。

然而，加州大学伯克利分校的化学家杨培东击败了他们。1月22日，杨在《自然材料》杂志上报道说，他的团队已经开发出一种铯基钙钛矿太阳能窗口，这种窗口变得不透明，加热时可以发电，但不含甲胺。这允许这样的窗口被重复切换，而不会降低性能。

“这是一个有吸引力的想法。你可以同时拥有太阳能电池和智能窗户。”加州帕洛阿尔托斯坦福大学的材料科学家迈克尔·麦克格赫说，他从事钙钛矿太阳能电池和智能窗户的研究。

然而，最新的太阳能窗户仍然有它们的缺点。首先，除非加热到100摄氏度以上，否则它们不会从透明变成不透明。此外，它们的效率只有7%左右，远远低于传统太阳能电池。McGehee强调，除了稳定性和效率问题外，所有钙钛矿窗口在不透明条件下都呈红色。“这至关重要。”麦克赫说，因为大多数建筑开发商不愿意使用彩色窗户。

然而，杨说，他和他的同事已经提出了一种可以在50到60摄氏度之间转换的方法。他们只是在等待太阳能电池的转换效率提高。寻找新的perovskites继续满足所有未来的窗口需求。(赵茜·Xi)

中国科学新闻(2018-024，第二版国际)