智能窗户既能变暗又可发电

由钙钛矿制成的窗户既可以制冷，也可以发电。

近年来，由于一种名为“钙钛矿”的晶体材料家族的突然出现，太阳能发电正在经历着一场革命。现在，钙钛矿正在改造着窗户，让它们在寒冷的日子里保持清晰，但在炎热的夏日阳光下却能够变暗。

两个研究小组的报告称，他们已经创造出了一种用钙钛矿着色的窗户，这种窗户不但能够根据温度改变颜色，而且还能像太阳能电池一样获得能量。这项新技术有朝一日可以通过遮挡阳光和发电帮助建筑物降温。

在透明和不透明之间切换的“智能窗户”已经存在了几十年。例如，波音787梦幻飞机采用了所谓的“电致变色窗户”，而这需要一个外部电源来使窗户变暗。但这些窗户未能在建筑市场产生广泛的影响，因为它们的成本更高，同时阻挡外界光线的能力不一致，并且对一些人来说，它们对外部电力的需求也不招人喜欢。

但是，钙钛矿提供了一条同时通向智能窗户和太阳能窗户的可能途径。

钙钛矿是由具有特定晶体结构的元素混合物与太阳能电池构成的一种材料，其将阳光转化为电能的效率与最先进的硅太阳能电池板相当——最好的钙钛矿可将阳光中超过22%的能量转换为电能，而这一比例对于硅来说是25%。

通过改变钙钛矿的元素成分，研究人员还可以控制它们的透明度。更有甚者，钙钛矿的原始材料比现有的太阳能电池要便宜得多。

将所有这些特性结合在一起的第一个进展出现在2017年11月，当时研究人员报告说，他们在温度达到60摄氏度时，创造了一种含铅的“钙钛矿太阳能窗户”，能够从透明转变为不透明。

在较冷的温度下，位于太阳能电池中心的钙钛矿形成了一个复合物，后者具有一种名为甲胺的有机化合物。当被加热时，甲胺会蒸发，并从钙钛矿中分离出来，导致后者变黑同时吸收阳光。当热量消散时，例如太阳下山或在冬天时，甲胺蒸汽又会回到钙钛矿中，并再一次使它变透明。加热的钙钛矿将其能量的11.3%转化为电能。

不过，这种窗户也有自己的缺点。最大的问题是太阳能电池的效率在来回几次转换后便会下降，这可能是因为甲胺未能完全返回到钙钛矿最开始的晶体结构中。

因此，在近1年的时间里，由这种窗户的发明者、科罗拉多州戈尔登市美国国家可再生能源实验室化学家Nathan Neale和机械工程师Lance Wheeler率领的研究团队，一直在努力研究一种不同的钙钛矿配方，从而可以在没有甲胺化学反应的情况下完成切换。

然而，加州大学伯克利分校的化学家Peidong Yang却击败了他们。1月22日，Yang在《自然—材料》杂志上报道称，他的团队已经开发出一种基于铯的钙钛矿太阳能窗户，这种窗户在受热的时候会变得不透明并且发电，但却不涉及甲胺。这使得这种窗户可以在不降低性能的情况下反复切换。

“这是一个很有吸引力的想法，你可以同时拥有太阳能电池和智能窗户。”加州帕洛阿尔托市斯坦福大学材料科学家Michael McGehee说，他同时从事钙钛矿太阳能电池和智能窗户研究。

然而最新的太阳能窗户仍然有其缺点。首先，除非加热到100摄氏度以上，否则它们不会从透明转变为不透明。另外，它们的效率仅为7%左右，远低于传统的太阳能电池。McGehee强调，除了稳定性和效率问题之外，在不透明的情况下，所有的钙钛矿窗户都有一种略带红色的色彩。“这是至关重要的。”McGehee说，因为大多数建筑开发商都不愿使用彩色的窗户。

然而Yang表示，他和他的同事已经提出了一种方法，这种方法能够在50摄氏度至60摄氏度之间发生切换;他们只是在等待，直到能够提高太阳能电池的转换效率。对新的钙钛矿的搜寻工作仍在继续，以满足未来对窗户的所有需求。