因为这些窗户，未来10年的城市将会大变样？

来源|科学美国人

翻译

审校|赵桓

用玻璃发电

2019年底，加州红杉城泛在能源公司的员工聚集在一个完全由玻璃窗组成的会议室。他们面前的新玻璃窗不仅展现了加州北部壮观的山景和美丽的天空，还作为光伏电池为公司的照明、电脑和空调供电。

经过多年的研发，泛在能源在清洁行业——发电玻璃——取得了技术突破。秘密在于玻璃板之间的各种有机聚合物层，其中一些可以完全透光，而另一些可以吸收不可见的红外线和紫外线光子。当光穿过玻璃时，聚合物层之间的电子流形成电流，电流由玻璃中的细线收集。

玻璃发电原理

泛在能源公司的业务发展总监韦亚尔·哈德夫说，“这有点像一台反向运行的透明电脑显示器。”换句话说，显示器用电照亮屏幕上的每个像素点，当光线穿过玻璃时，这又会在不同的位置产生电流。

目前，在给定的光照水平下，这种玻璃的发电量约为传统屋顶光伏的三分之一，透光率约为普通玻璃的一半。

哈德夫说，达到这些目标足以使玻璃成为一种实用的产品，他的公司预计将大大提高玻璃的透光率。至于发电量较低的问题，他指出，窗户覆盖的面积比屋顶大，因此效率的不足可以通过面积优势来弥补。哈德夫说，“你可以两者都用，但是窗户会产生更多的电力。”他补充说，最大的挑战是将目前不到0.19平方米的窗户面积扩大到约4.65平方米。

比玻璃更清晰

视窗革命早就应该发生了。随着世界主要城市对摩天大楼的重新热爱，闪闪发光的高层建筑已经演变成世界各地的固定景点，但高层建筑上的玻璃几乎没有技术进步。

建筑物的温度控制是一个巨大的挑战，18%的美国能源被指定用于建筑物的供暖和制冷。根据劳伦斯·伯克利国家实验室的数据，在寒冷的季节，窗户损失的热量相当于200亿美元。在夏天，空调建筑的窗户损失的空调价值甚至更大。简而言之，用于建筑供暖和制冷的资金有一半以上是通过窗户损失的能量浪费掉的。

总部位于密歇根州的麦基诺科技公司正在开发一种涂层塑料板，可以防止玻璃被放置在普通玻璃的表面。它可以提高玻璃的隔热和热反射性能，同时不影响可见度。其中，塑料板将空气截留在中间，以提高玻璃的隔热性能。涂层对可见光透明，但反射红外光(携带大部分热能)。

该公司的首席执行官约翰·斯拉格特说，事实上麦基诺的窗户比普通玻璃更清晰。他说，这种不可见的涂层可以减少塑料表面反射的光，反而增加窗户的透明度和室内的清晰度。

如果在现有的窗框上直接安装覆膜塑料板，单层玻璃或双层玻璃的隔热性能可提高两倍，同时非常轻，不会显著增加窗户的重量。斯拉格特说，这种新材料已经成功通过了美国卡尔文大学的窗户测试。多亏了美国*机构的一些资助，这种塑料板将在2022年正式投入使用之前，在一个更大的试点项目中得到推广和测试。

光与影的争论

但是有时候，高清晰度并不总是一个优势，特别是对于面向南的建筑，强烈的阳光会通过窗户进入房间。博尔德科罗拉多大学的材料科学研究员迈克尔·麦克格赫说:“虽然强光会提高房间的温度，但人们不喜欢在阳光充足的环境下工作，甚至可能看不清电脑屏幕。通常人们会选择拉上窗帘，但这样会让他们看不到窗外的风景，也无法享受阳光带来的其他好处。”

为了减轻阳光的刺眼感觉，McGehee团队一直致力于改进“电致变色”窗户(通过施加电场，材料会发生稳定且可逆的颜色变化)，通过开关控制窗户的亮度，过滤掉严重的眩光，并将室内的采光调节到舒适的水平。基于此，该小组设计的窗口由含铂的氧化铟锡层和氧化镍层组成，两层之间填充有锂溶液。当对双层结构施加低电压时，它们作为电极产生电场，溶液中的锂离子迁移并粘附在氧化镍层上。

尽管锂在溶液中是透明的，但当被氧化镍层覆盖时，它是半透明的。麦基说，“只需要在电极上覆盖一层10纳米厚的锂就可以阻挡大部分光线。”他补充说，这种窗户就像建筑物的“太阳镜”。此外，通过改变电压，可以分阶段调节阻挡阳光的程度。

如果这些成果成功商业化，在未来的10到20年内，窗户将成为许多便利和环保城市的重要组成部分。这将是实现零碳足迹的坚实一步。

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