智能窗戶既能變暗又可發電

　　近年來，由于一種名為“鈣鈦礦”的晶體材料家族的突然出現，太陽能發電正在經歷著一場革命。現在，鈣鈦礦正在改造著窗戶，讓它們在寒冷的日子里保持清晰，但在炎a熱的夏日陽光下卻能夠變暗。

由鈣鈦礦制成的窗戶既可以制冷，也可以發電。圖片來源：Chris Barbalis/Unsplash

　　兩個研究小組的報告稱，他們已經創造出了一種用鈣鈦礦著色的窗戶，這種窗戶不但能夠根據溫度改變顏色，而且還能像太陽能電池一樣獲得能量。這項新技術有朝一日可以通過遮擋陽光和發電幫助建筑物降溫。

　　在透明和不透明之間切換的“智能窗戶”已經存在了幾十年。例如，波音787夢幻飛機采用了所謂的“電致變色窗戶”，而這需要一個外部電源來使窗戶變暗。但這些窗戶未能在建筑市場產生廣泛的影響，因為它們的成本更高，同時阻擋外界光線的能力不一致，并且對一些人來說，它們對外部電力的需求也不招人喜歡。

　　但是，鈣鈦礦提供了一條同時通向智能窗戶和太陽能窗戶的可能途徑。

　　鈣鈦礦是由具有特定晶體結構的元素混合物與太陽能電池構成的一種材料，其將陽光轉化為電能的效率與最先進的硅太陽能電池板相當——最好的鈣鈦礦可將陽光中超過22%的能量轉換為電能，而這一比例對于硅來說是25%。

　　通過改變鈣鈦礦的元素成分，研究人員還可以控制它們的透明度。更有甚者，鈣鈦礦的原始材料比現有的太陽能電池要便宜得多。

　　將所有這些特性結合在一起的第一個進展出現在2017年11月，當時研究人員報告說，他們在溫度達到60攝氏度時，創造了一種含鉛的“鈣鈦礦太陽能窗戶”，能夠從透明轉變為不透明。

　　在較冷的溫度下，位于太陽能電池中心的鈣鈦礦形成了一個復合物，后者具有一種名為甲胺的有機化合物。當被加熱時，甲胺會蒸發，并從鈣鈦礦中分離出來，導致后者變黑同時吸收陽光。當熱量消散時，例如太陽下山或在冬天時，甲胺蒸汽又會回到鈣鈦礦中，并再一次使它變透明。加熱的鈣鈦礦將其能量的11.3%轉化為電能。

　　不過，這種窗戶也有自己的缺點。最大的問題是太陽能電池的效率在來回幾次轉換后便會下降，這可能是因為甲胺未能完全返回到鈣鈦礦最開始的晶體結構中。

　　因此，在近1年的時間里，由這種窗戶的發明者、科羅拉多州戈爾登市美國國家可再生能源實驗室化學家Nathan Neale和機械工程師Lance Wheeler率領的研究團隊，一直在努力研究一種不同的鈣鈦礦配方，從而可以在沒有甲胺化學反應的情況下完成切換。

　　然而，加州大學伯克利分校的化學家Peidong Yang卻擊敗了他們。1月22日，Yang在《自然—材料》雜志上報道稱，他的團隊已經開發出一種基于銫的鈣鈦礦太陽能窗戶，這種窗戶在受熱的時候會變得不透明并且發電，但卻不涉及甲胺。這使得這種窗戶可以在不降低性能的情況下反復切換。

　　“這是一個很有吸引力的想法，你可以同時擁有太陽能電池和智能窗戶。”加州帕洛阿爾托市斯坦福大學材料科學家Michael McGehee說，他同時從事鈣鈦礦太陽能電池和智能窗戶研究。

　　然而最新的太陽能窗戶仍然有其缺點。首先，除非加熱到100攝氏度以上，否則它們不會從透明轉變為不透明。另外，它們的效率僅為7%左右，遠低于傳統的太陽能電池。McGehee強調，除了穩定性和效率問題之外，在不透明的情況下，所有的鈣鈦礦窗戶都有一種略帶紅色的色彩。“這是至關重要的。”McGehee說，因為大多數建筑開發商都不愿使用彩色的窗戶。

　　然而Yang表示，他和他的同事已經提出了一種方法，這種方法能夠在50攝氏度至60攝氏度之間發生切換；他們只是在等待，直到能夠提高太陽能電池的轉換效率。對新的鈣鈦礦的搜尋工作仍在繼續，以滿足未來對窗戶的所有需求。