Nano-Micro Letters研究背景
绿色节能建筑(Energy-saving buildings)可通过调节太阳能热辐射的方式大幅降低室内制冷和供暖所需建筑能耗，从而有效减少碳排放，为我国“双碳”战略目标的达成奠定了基础。智能光伏窗(Smart photovoltaic windows)集节能、隐私保护和发电等功能于一体，为高效绿色节能建筑的设计提供了良好的平台。目前，基于水凝胶、过渡金属氧化物、导电高分子和液晶等智能材料与光伏器件的耦合，已开发了各式各样的智能光伏窗。为应对绿色节能建筑在不同气候区域的实际应用，智能光伏窗在大面积制备、宽波调节性能和结构功能一体化设计等方面还存在很多困难和挑战。
Tri-band Regulation and Split-type Smart Photovoltaic Windows for Thermal Modulation of Energy-Saving Buildings in All-Season
Qian Wang, Zongxu Na, Jianfei Gao, Li Yu*, Yuanwei Chen, Peng Gao, Yong Ding*, Songyuan Dai, Mohammad Khaja Nazeeruddin*, Huai Yang*
Nano-Micro Letters (2026)18: 132
https://doi.org/10.1007/s40820-025-01985-w
本文亮点
1. 分子工程实现低能耗高太阳光调光效能：通过同时引入极性和非极性分子，赋予智能光伏窗太阳光调节功能组件聚合物分散液晶(Polymer dispersed liquid crystals)优异调光性能(Tsol = 83.8 %,)，同时大幅降低其驱动电压(～28.1%)，为与钙钛矿电池结合构建具有自驱动特性的智能光伏窗奠定基础。
2. 高透过率中红外热管理层的设计：以高发射率二氧化硅纳米粒子和低发射率Ag纳米线为基材，采用喷涂法制备高太阳光透过率的中红外热管理层。其与聚合物分散液晶有机结合实现宽波可调特性，使智能光伏窗可在全球不同气候地区实现全季候高效节能。
3. 连续化大面积可加工的设计：智能光伏窗主要采用卷对卷和喷涂的制备工艺，为其可大面积连续化生产提供了有力的保障。
内容简介
针对可大面积连续化制备、宽波可调、结构功能一体化和全季候可用低能耗智能光伏窗设计的瓶颈。北京科技大学王茜/武汉工程大学余黎/河海大学丁勇/瑞士联邦理工学院Md.K. Nazeeruddin/北京大学杨槐等通过极性和非极性分子掺杂的策略实现了兼具优异太阳光调节性能和低驱动电压的聚合物分散液晶，通过在聚合物分散液晶薄膜上下表面分别涂覆高太阳光透过率SiO₂ 被动辐射制冷层和Ag纳米线保温层的方法制备在可见、近红外和中红外波段宽波可调的热管理模块，采用分体式设计将热管理模块与钙钛矿电池巧妙结合，构建了可大面积连续化制备、宽波可调、高发电效率和全季候可用低能耗智能光伏窗，为设计高效稳定的绿色节能建筑提供了新思路。
图文导读
I 三波段调节分体式智能光伏窗的设计与工作原理
如图1所示，三波段调节分体式智能光伏窗主要由热管理模块和钙钛矿电池两部分所组成。其中，热管理模块由高发射率SiO₂被动辐射制冷层、太阳光可调的聚合物分散液晶和低发射率Ag纳米线涂层三个组件所构成。因热管理模块在可见、近红外和中红外波段宽波可调的特性，可赋予智能光伏窗全季候卓越的节能效果。钙钛矿电池可将太阳能直接转化为电能，用于驱动聚合物分散液晶对太阳光的调节行为，以实现智能光伏窗的低能耗、高太阳光调光效能。此外，钙钛矿电池所产生的电能还可用于补偿建筑日常所需的能耗，从而进一步提升绿色节能建筑的能源利用效率。
图1. 用于构筑高效绿色节能建筑全季候、三波段调节、分体式智能光伏窗的实物图、结构示意图、性能和工作原理图。
II 利用分子工程策略调控聚合物分散液晶的电光性能
如图2所示，本研究通过在聚合物分散液晶中引入含羟基的极性分子和笼状结构的非极性分子(POSS)，采用可大面积加工的卷对卷工艺制备了具有优异太阳光调节性能、低驱动电压、快速响应、耐疲劳的聚合物分散液晶薄膜。仅通过调节含羟基极性分子的，聚合物分散液晶薄膜的太阳能调节能力(ΔTsol)可达79.49 %，但驱动其太阳光调节行为所需电压较高(28.1 V)。基于含羟基的极性分子和笼状结构的非极性分子(POSS)的聚合物分散液晶网孔结构和锚定能的调控，聚合物分散液晶薄膜的驱动电压可大幅降低至20.2 V(降幅约为28.1 %)，同时其太阳能调节能力可提升至80.5 %。此外，聚合物分散液晶薄膜具备快速响应特性和优越的工作稳定性，为其在绿色节能建筑中的实际应用提供了重要保障。更为重要是低驱动电压使得聚合物分散液晶的太阳光调节行为由钙钛矿电池所产生的电能所驱动，实现了智能光伏窗的自驱动功能，为赋予其低能耗高太阳光调光效能奠定了基础。
图2. 聚合物分散液晶薄膜的制备、微观结构、光电性能和自驱动特性。
III 三波段调节热管理模块的构建与优化
如图3所示，本研究采用喷涂工艺在聚合物分散液晶薄膜上下表面分别涂覆高太阳光透过率SiO₂ 被动辐射制冷层和Ag纳米线保温层的方式构建了在可见、近红外和中红外波段宽波可调的热管理模块。其中，SiO₂ 被动辐射制冷层和Ag纳米线保温层SiO₂ 主要用于调制太阳光中红外波段的热辐射行为，聚合物分散液晶主要用调制太阳光可见和近红外波段的热辐射行为(图2)。因而，热管理模块的构建可赋予智能光伏窗三波段调节特性。为赋予智能光伏窗全季候优异的节能效果，推动绿色节能建筑在不同气候地区的实际应用，需在保持高发射率SiO₂层较好的辐射冷却效果和低发射率Ag纳米线层较好的保温效果的同时提供管理模块高的太阳光透过率。通过对SiO₂ 被动辐射制冷层和Ag纳米线保温层微观结构的调控，热管理模块在具备较好辐射冷却和保温效果的同时，太阳光透过率可达83.8 %。
图3. 高透过率热管理模的设计制备与性能调控。
IV 智能光伏窗的节能效果分析与模拟
为评估智能光伏窗的节能效果(图4)，本研究以太阳光模拟器为光源，对智能光伏窗在不同工作模式下自制腔体内温度进行分析。当智能光伏窗处于高透射态时，太阳光模拟器光源的热效应导致腔体内温度由室温25.1 °C上升至51.3 °C。此外，受益于低发射率Ag纳米线层较好的保温效果，腔体内温度可较好的维持不变。当智能光伏窗处于非透射态时，在太阳光模拟器为光源的照射下腔体内仅升至47 °C，这得益于聚合物分散液晶的高散射和高发射率SiO₂层较好的辐射冷却效果。在太阳光模拟器为光源的照射下，腔体内温度在智能光伏窗处于不同的工作状态下表现出的较大温差(6.3 °C)表明智能光伏窗全季候优异的节能效果。为进一步理论验证所设计的智能光伏窗在实际中的应用效果，本研究运用EnergyPlus软件，基于北京全年气候条件数据，对智能光伏窗的节能效果进行的模拟计算。结果显示，与普通玻璃相比所设计的智能光伏窗可实现节约约16.7% 的建筑能耗，助力减少约16.9吨碳排放。
图4.智能光伏窗的节能效果分析与模拟。
V 总结
本研究提出了极性分子与非极性分子双掺杂的策略，基于对聚合物分散液晶网孔结构和锚定能的调控机制，设计制备了具有优异太阳光调节性能、低驱动电压、快速响应、耐疲劳的聚合物分散液晶薄膜。
以高发射率SiO₂ 纳米粒子和低发射率Ag纳米线为基层，通过在聚合物分散液晶薄膜表面构建高透过率中红外热管层，构筑了三波段调节热管理模块，赋予智能光伏窗全季候优异的节能效果。此外，采用分体式设计将热管理模块与钙钛矿电池巧妙结合，实现了智能光伏窗低能耗高太阳光调光效能。
本研究为设计高效智能光伏窗提供了新思路，为绿色节能建筑在全球不同气候地区的应用提供广阔的前景，推动“双碳”战略和社会可持续发展目标的达成。
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