日前，中國石油大學（北京）徐泉教授團隊設計并制備了一款高太陽能調制能力和自發電的能量生成系統結合的顛覆性新型智能窗（Energy saving and energy generation-ESEG智能窗）。ESEG智能窗由多層百葉太陽能電池結構，溫控變色的主客體水凝膠、以及氧化銦錫(ITO)玻璃相結合的結構，兼具節能和發電能力（ESEG智能窗），此款智能窗制造簡單、可規模化生產，最重要的是具有儲能、節能、主動控制、防凍一體化功能，商業化前景廣闊，相關成果已發表于Advanced Science，2022，202105184。

圖1. (a)節能儲能一體化智能窗的多層百葉結構；(b) 主客體熱致變色水凝膠（HGT水凝膠）的機理示意圖和0.15 m²窗戶在不同溫度下50×30 cm測試的光學照片；(c) 不同環境下的節能儲能一體化智能窗示意圖；(d) ESEG不同視角的光學照片。圖片來源：Advanced Science

主客體熱致變色水凝膠（HGT水凝膠）由透明熱穩定 (PAM-PAA) 水凝膠基質，及熱響應羥丙基纖維素 (HPC) 微粒制成。在臨界溶解溫度 (LCST) 以下，HPC 在 PAM-PAA 基質中分布良好，并與周圍的水分子形成氫鍵，此時 HGT 水凝膠是透明的。然而，隨著溫度升高到LCST以上，HPC的相互作用以及氫鍵和分子內相互作用發生了變化，HPC分子將自締合形成亞穩態納米球而不會沉淀，這將導致光的散射，并且 HGT 水凝膠會變得不透明（圖b）。復合水凝膠智能窗在 25 ℃（左）和 80 ℃（右）下，來自太陽的近紅外光進入硅基太陽能電池并轉化為電能，可見光在低溫下穿過夾層結構（圖c）。同時，作者證明視線與窗戶成90-60°角時，視覺效果不受影響（圖d）。

節能智能窗被廣泛用于墻壁、屋頂等建筑結構中，為確保ESEG智能窗的穩定的光調節能力，作者針對不同濃度的HGT 水凝膠進行了測試。所有樣品在室溫下都顯示出高透光率 (T_lum)。根據不同濃度的樣品在25 °C和80 °C的透射光譜可以觀察到，隨著HPC和PAA濃度的增加，發光 (ΔT_IR，87.27 %)、紅外和太陽波長的透射率調制能力都在增加。隨著HPC濃度的增加，太陽光、紅外和太陽波長的透射率調制能力逐漸增強后減弱。HGT 水凝膠的平均 LCST 約為 30°C，低于純 HPC (~45°C)。這可能是由于 PAA 的引入可以改變水凝膠結構，從而降低 HGT 水凝膠的 LCST。HGT 水凝膠智能窗的循環穩定性，在 25 ℃ 和 80 ℃下，HGT 水凝膠智能窗在 650 nm 處的透光率變化在 200 次循環后可以忽略不計。HGT水凝膠實現了更高的T_lum和令人滿意的ΔT_sol，具有很高的節能效率（圖2）。

圖2. (a) 最佳HPC濃度和最佳HGT水凝膠在25 ℃和80 ℃下的透射光譜；(b) 25 ℃下透光率(T_lum)、透光率差異、紅外透過率(ΔT_IR)差異、不同濃度下太陽光調制能力(ΔT_sol)的光學性能比較；(c) 25 ℃下的透光率（T_lum，25 ℃）、透光率差（ΔT_lum）、紅外透射率差（ΔT_IR）和不同濃度的太陽調制能力（ΔT_sol）的光學性能比較；(d) 純 HPC 的光學照片；(e) 和 HGT 水凝膠分別在 25 ℃、50 ℃ 和 80 ℃ 下；(f) HGT 水凝膠智能窗的循環測試；(g) 這項工作與關于 T_lum 和 ΔT_sol 的其他工作的比較。圖片來源：Advanced Science

圖 3. (a) 普通和 HGT 水凝膠智能窗設置的室內熱和照度測試方案；(b) 模擬陽光下普通窗和HGT水凝膠智能窗的室內照度；(c) 模擬陽光下參考和HGT水凝膠智能窗的室內溫度；(d) 0 s、(e) 300 s、(f) 600 s模擬陽光下普通窗式房屋和 (g) 0 s時HGT水凝膠智能窗式房屋的熱紅外圖像和光學照片,  (h) 300 s，(i) 600 s；(j) 北京戶外示范的 24 小時氣溫曲線。插圖分別是原始和 HGT 水凝膠窗式房屋的白天 (12:00) 和夜間 (05:00) 溫度讀數。圖片來源：Advanced Science

基于上述討論，HGT水凝膠智能窗具有令人滿意的光調節能力。為了進一步探索 HGT 水凝膠的太陽能調制和節能性能，作者將該樣品安裝在溫室（30 cm×20 cm×20 cm）上，研究室內光照強度和溫度變化。使用原始窗戶和 HGT 水凝膠智能窗口的室內照明強度通過光度計通過模擬太陽光進行評估，當環境溫度高于 LCST 時，透光率急劇下降以阻擋太陽光。HGT水凝膠智能窗式房屋的溫度比原始房屋中的溫度增長緩慢，表明HGT水凝膠窗具有出色的節能性能。為了進一步證明 HGT 水凝膠窗的節能性能，將巧克力放置在房屋模型內以評估不同窗戶的節能效果，在相同光照時間下，基于HGT水凝膠的智能窗屋的巧克力溫度低于原始溫度，表明HGT水凝膠智能窗具有良好的節能和儲能功能（圖3）。

圖4（a）2020年6月20日北京太陽光譜輻照度隨時間變化；(b) 北京不同時間的月太陽高度角；(c) 太陽能電池模型示意圖；(d) 在 c-Si 太陽能電池上測量和模擬的 J-V 曲線；(e) 隨入射角變化的 c-Si 太陽能電池的歸一化 J_sc/PCE；(f) 北京c-Si太陽能電池月發電量；(g) 不同功能的HGT水凝膠智能窗的光學照片；(h) 不同電壓下窗戶的溫升曲線；在 0 V (I) 和 16 V (J) 電壓下不同時間的熱紅外圖像。圖片來源：Advanced Science

為了評估不同時間對太陽釋放能量的影響，作者基于真實太陽光譜下的晶體硅 (c-Si) 太陽能電池計算了 J_SC 和 PCE。作者分別取每個口的最大值點并繪制了隨時間變化的太陽輻照度，測量市場上購買的c-Si太陽能電池的性能，然后將電池垂直安裝在智能窗上。進行了一系列模擬計算，得出北京c-Si太陽能電池的月發電量隨時間增加，6月份最高達到90.64 MJ/m²，之后不斷下降，在十二月,最低達到39.09 MJ/m²。2020年c-Si太陽能電池年發電量為766.74 MJ/m²。因此，年發電量有潛力達到1105.55 MJ/m²。ESEG 智能窗在使用單片機太陽能電池板作為電源的情況下，電流表顯示為2A，1.5V教學實驗燈泡發出亮光，額定電壓為2V的電風扇正常工作，電器與自供電系統配合良好。同時，ESEG智能窗具有防凍功能，可防止水性窗在低溫下凍裂的風險（圖4）。

相關成果以“Energy Saving and Energy Generation Smart Window with Active Control and Antifreezing Functions”發表在Advance Science, 2022，2105184，通訊作者為中國石油大學（北京）徐泉教授，周洋特聘教授與蘭文杰副教授。中國石油大學（北京）博士生牛迎春和燕山大學博士杜大學為本文的共同第一作者。感謝國家自然科學基金 (51875577, 51604050), 中國石油大學(北京)科學基金 (No. 2462019BJRC007, 2462019QNXZ02)的資助。近年來中國石油大學（北京）圍繞雙碳目標成立碳中和未來技術學院，實現書苑制管理，并新增儲能科學與工程本科專業，推動產學研用持續落地。

原文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202105184