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【导(dǎo)语(yǔ)】夏(xià)日(rì)午(wǔ)后(hòu)，阳(yáng)光(guāng)透(tòu)过(guò)窗(chuāng)户(hù)洒(sǎ)入(rù)，你(nǐ)是(shì)否(fǒu)想(xiǎng)过(guò)让(ràng)这(zhè)刺(cì)眼(yǎn)的(de)光(guāng)线(xiàn)直(zhí)接(jiē)化(huà)作(zuò)电(diàn)能(néng)？在(zài)全球(qiú)能(néng)源(yuán)转(zhuǎn)型(xíng)浪(làng)潮(cháo)下(xià)，建(jiàn)筑(zhù)节(jié)能(néng)领(lǐng)域迎(yíng)来(lái)突(tū)破(pò)——南(nán)京(jīng)大(dà)学(xué)研(yán)究(jiū)团(tuán)队(duì)在(zài)《PhotoniX》发(fā)表(biǎo)新(xīn)成(chéng)果(guǒ)，研(yán)发(fā)出(chū)可(kě)直(zhí)接(jiē)涂(tu)覆(fù)于(yú)玻(bō)璃(lí)表(biǎo)面(miàn)的(de)透(tòu)明(míng)液(yè)晶(jīng)涂(tu)层(céng)，能(néng)在(zài)保(bǎo)持(chí)窗(chuāng)户(hù)采光(guāng)通(tōng)透(tòu)的(de)同(tóng)时(shí)，将(jiāng)阳(yáng)光(guāng)转(zhuǎn)化(huà)为(wèi)电(diàn)能(néng)，为(wèi)建(jiàn)筑(zhù)能(néng)源(yuán)利(lì)用(yòng)开(kāi)辟(pì)全新(xīn)路径。

夏(xià)日(rì)午(wǔ)后(hòu)，你(nǐ)收(shōu)否(fǒu)有(yǒu)过(guò)这(zhè)样(yàng)的(de)想(xiǎng)法(fǎ)，如(rú)果(guǒ)将(jiāng)透(tòu)过(guò)窗(chuāng)户(hù)刺(cì)眼(yǎn)的(de)阳(yáng)光(guāng)直(zhí)接(jiē)转(zhuǎn)化(huà)为(wèi)电(diàn)能(néng)，是(shì)否(fǒu)能(néng)让(ràng)建(jiàn)筑(zhù)本(běn)身(shēn)也(yě)参(cān)与(yǔ)发(fā)电(diàn)？在(zài)全球(qiú)能(néng)源(yuán)结(jié)构(gòu)加(jiā)速(sù)转(zhuǎn)型(xíng)的(de)背(bèi)景(jǐng)下(xià)，建(jiàn)筑(zhù)物(wù)成(chéng)为(wèi)最(zuì)具(jù)潜(qián)力(lì)的(de)能(néng)源(yuán)利(lì)用(yòng)场(chǎng)所(suǒ)之(zhī)一(yī)。高(gāo)层(céng)建(jiàn)筑(zhù)的(de)外(wài)墙(qiáng)大(dà)多(duō)由(yóu)大(dà)面(miàn)积(jī)玻(bō)璃(lí)幕(mù)墙(qiáng)构(gòu)成(chéng)，这(zhè)些(xiē)表(biǎo)面(miàn)长(zhǎng)期(qī)暴(bào)露(lù)在(zài)阳(yáng)光(guāng)下(xià)，却(què)很(hěn)少(shǎo)被(bèi)用(yòng)于(yú)能(néng)源(yuán)采集。如(rú)何(hé)让(ràng)窗(chuāng)户(hù)在(zài)保(bǎo)持(chí)采光(guāng)与(yǔ)通(tōng)透(tòu)的(de)同(tóng)时(shí)实(shí)现(xiàn)发(fā)电(diàn)，成(chéng)为(wèi)建(jiàn)筑(zhù)节(jié)能(néng)领(lǐng)域的(de)重(zhòng)要(yào)研(yán)究(jiū)方(fāng)向(xiàng)。

近(jìn)日(rì)，南(nán)京(jīng)大(dà)学(xué)的(de)研(yán)究(jiū)团(tuán)队(duì)在(zài)国(guó)际(jì)期(qī)刊(kān)《PhotoniX》上(shàng)报(bào)道(dào)了(le)一(yī)项(xiàng)新(xīn)成(chéng)果(guǒ)——一(yī)种(zhǒng)可(kě)直(zhí)接(jiē)涂(tu)覆(fù)在(zài)玻(bō)璃(lí)表(biǎo)面(miàn)的(de)太(tài)阳(yáng)能(néng)采集涂(tu)层(céng)。这(zhè)种(zhǒng)透(tòu)明(míng)的(de)液(yè)晶(jīng)薄(báo)膜(mó)能(néng)够(gòu)将(jiāng)阳(yáng)光(guāng)导(dǎo)向(xiàng)玻(bō)璃(lí)边(biān)缘(yuán)，再(zài)由(yóu)小(xiǎo)型(xíng)光(guāng)伏(fú)芯(xīn)片(piàn)将(jiāng)其(qí)转(zhuǎn)化(huà)为(wèi)电(diàn)能(néng)。研(yán)究(jiū)人(rén)员(yuán)称(chēng)，这(zhè)项(xiàng)技(jì)术(shù)在(zài)实(shí)验(yàn)中(zhōng)已(yǐ)能(néng)驱(qū)动(dòng)小(xiǎo)型(xíng)电(diàn)机(jī)运(yùn)行(xíng)，显(xiǎn)示(shì)出(chū)在(zài)未(wèi)来(lái)建(jiàn)筑(zhù)节(jié)能(néng)、城(chéng)市(shì)能(néng)源(yuán)利(lì)用(yòng)方(fāng)面(miàn)的(de)巨(jù)大(dà)潜(qián)力(lì)。

发(fā)表(biǎo)在(zài)《PhotoniX》关于(yú)玻(bō)璃(lí)表(biǎo)面(miàn)光(guāng)伏(fú)发(fā)电(diàn)的(de)研(yán)究(jiū)（图(tú)片(piàn)来(lái)源(yuán)：参(cān)考(kǎo)文献(xiàn)[1]）

为(wèi)什(shén)么(me)窗(chuāng)户(hù)发(fā)电(diàn)一(yī)直(zhí)很(hěn)难(nán)

在(zài)建(jiàn)筑(zhù)节(jié)能(néng)技(jì)术(shù)的(de)发(fā)展(zhǎn)中(zhōng)，如(rú)何(hé)将(jiāng)光(guāng)伏(fú)系(xì)统(tǒng)与(yǔ)建(jiàn)筑(zhù)结(jié)构(gòu)融(róng)合(hé)，是(shì)一(yī)项(xiàng)长(zhǎng)期(qī)存(cún)在(zài)的(de)工(gōng)程(chéng)挑(tiāo)战(zhàn)。

传(chuán)统(tǒng)的(de)光(guāng)伏(fú)窗(chuāng)通(tōng)常(cháng)采用(yòng)非(fēi)晶(jīng)硅(guī)、砷(shēn)化(huà)镓(jiā)、有(yǒu)机(jī)光(guāng)伏(fú)或(huò)钙(gài)钛(tài)矿(kuàng)等(děng)材(cái)料(liào)，将(jiāng)太(tài)阳(yáng)能(néng)电(diàn)池(chí)嵌(qiàn)入(rù)玻(bō)璃(lí)层(céng)中(zhōng)以(yǐ)实(shí)现(xiàn)发(fā)电(diàn)功(gōng)能(néng)。然(rán)而(ér)，这(zhè)些(xiē)方(fāng)案(àn)普(pǔ)遍(biàn)存(cún)在(zài)三(sān)个(gè)问(wèn)题(tí)。

首(shǒu)先(xiān)是(shì)透(tòu)光(guāng)性(xìng)受(shòu)限(xiàn)。发(fā)电(diàn)材(cái)料(liào)在(zài)吸(xī)收(shōu)光(guāng)能(néng)的(de)同(tóng)时(shí)，也(yě)会(huì)阻(zǔ)挡(dǎng)可(kě)见(jiàn)光(guāng)，使(shǐ)玻(bō)璃(lí)显(xiǎn)得(de)昏(hūn)暗(àn)或(huò)带(dài)有(yǒu)明(míng)显(xiǎn)的(de)色(sè)偏(piān)，不(bù)利(lì)于(yú)室(shì)内(nèi)采光(guāng)。对(duì)需(xū)要(yào)自(zì)然(rán)光(guāng)环(huán)境(jìng)的(de)建(jiàn)筑(zhù)而(ér)言(yán)，这(zhè)种(zhǒng)光(guāng)线(xiàn)衰(shuāi)减(jiǎn)难(nán)以(yǐ)接(jiē)受(shòu)。

其(qí)次(cì)是(shì)能(néng)量(liàng)转(zhuǎn)换(huàn)效(xiào)率(lǜ)低(dī)。透(tòu)明(míng)光(guāng)伏(fú)材(cái)料(liào)虽(suī)然(rán)能(néng)透(tòu)光(guāng)，但(dàn)吸(xī)收(shōu)太(tài)阳(yáng)能(néng)的(de)效(xiào)率(lǜ)往(wǎng)往(wǎng)不(bù)足(zú)，仅(jǐn)能(néng)利(lì)用(yòng)约(yuē)20%的(de)入(rù)射(shè)光(guāng)能(néng)，远(yuǎn)低(dī)于(yú)传(chuán)统(tǒng)屋(wū)顶(dǐng)光(guāng)伏(fú)组(zǔ)件(jiàn)的(de)性(xìng)能(néng)。这(zhè)意(yì)味(wèi)着(zhe)窗(chuāng)户(hù)在(zài)发(fā)电(diàn)与(yǔ)采光(guāng)之(zhī)间(jiān)始(shǐ)终(zhōng)难(nán)以(yǐ)取(qǔ)得(de)平(píng)衡(héng)。

第(dì)三(sān)是(shì)制(zhì)造(zào)与(yǔ)安(ān)装(zhuāng)成(chéng)本(běn)高(gāo)。现(xiàn)有(yǒu)光(guāng)伏(fú)窗(chuāng)需(xū)要(yào)在(zài)生(shēng)产(chǎn)阶(jiē)段(duàn)将(jiāng)电(diàn)池(chí)层(céng)与(yǔ)玻(bō)璃(lí)进(jìn)行(xíng)一(yī)体(tǐ)化(huà)封(fēng)装(zhuāng)，无(wú)法(fǎ)直(zhí)接(jiē)用(yòng)于(yú)已(yǐ)建(jiàn)成(chéng)的(de)建(jiàn)筑(zhù)，也(yě)增(zēng)加(jiā)了(le)维(wéi)护(hù)与(yǔ)更(gèng)换(huàn)的(de)难(nán)度(dù)。对(duì)

因(yīn)此(cǐ)，尽(jǐn)管(guǎn)建(jiàn)筑(zhù)集成(chéng)光(guāng)伏(fú)已(yǐ)成(chéng)为(wèi)绿(lǜ)色(sè)建(jiàn)筑(zhù)的(de)重(zhòng)要(yào)方(fāng)向(xiàng)，能(néng)够(gòu)兼(jiān)顾(gù)高(gāo)透(tòu)明(míng)度(dù)、美(měi)观(guān)性(xìng)和(hé)高(gāo)效(xiào)发电的窗体材料仍然稀缺。研究者们一直在寻找一种能够直接附着在现有玻璃上的新型技术，使建筑表面真正成为可持续能源系统的一部分。

我国科学家的液晶光波导方案

南京大学研究团队提出了一种新的思路——通过在普通玻璃上涂覆多层胆甾型液晶材料（Cholesteric Liquid Crystal, CLC），构建出一种无色、透明且能定向传导光线的太阳能聚光系统。

这种涂层的核心原理在于光的偏振特性。胆甾型液晶是一种具有螺旋结构的光学材料，能够选择性反射与自身结构匹配的圆偏振光，同时允许其他光线透过。

研究人员将具有不同螺距的CLC层依次叠加，使其反射带覆盖整个可见光波段（400–750纳米），从而实现对宽谱太阳光的有效引导。

基于CLC层镀膜建筑玻璃圆偏振分光的概念图（图片来源：参考文献[1]）

当阳光照射到涂层上时，部分光被反射并在玻璃内部形成全内反射波导，最终集中至玻璃边缘的光伏芯片，由芯片将能量转换为电能。

实验结果表明，研究团队制作的样品直径约为2.5厘米，能够在室外条件下驱动一台功率为10毫瓦的小型风扇运行。这一原型的平均可见光透过率为64.2%，显色指数达到91.3，说明涂层几乎不会影响窗户的透明度与视觉效果。

在阳光下驱动 10 mW 风扇（图片来源：参考文献[1]）

模型计算显示，若应用于两米宽的建筑玻璃，光能集中倍数可达到50倍，显著提高光能利用效率。

此外，这种液晶涂层无需在玻璃内部嵌入电池结构，而是可以直接通过表面涂覆的方式实现，具备较高的可行性。它只需在玻璃一侧边缘安装光伏片即可发电，能够减少约75%的光伏材料使用量，显著降低制造与维护成本。

研究团队指出，这一系统在兼顾透明、美观与高效能量收集的同时，还具备良好的可扩展性。随着液晶厚度、螺距与光学结构的进一步优化，这种太阳能窗有望在高层建筑、温室设施及城市公共空间中得到广(guǎng)泛(fàn)应(yīng)用(yòng)。

总(zǒng)结(jié)

这(zhè)项(xiàng)来(lái)自(zì)南(nán)京(jīng)大(dà)学(xué)的研究，为建筑能源利用提供了一种全新的技术路径。通过在普通玻璃表面涂覆多层胆甾型液晶材料，科研人员成功实现了光线的定向传导与能量集中，从而在不影响透光和视野的前提下，将窗户转化为稳定的太阳能采集装置。

与传统光伏窗相比，这种液晶光波导系统不仅具备高透明度和良好的色彩还原度，还能大幅减少光伏材料的使用量，降低制造和维护成本。该技术在未来有望与高层建筑外立面、温室设施及智能玻璃系统结合，为城市提供新的分布式能源解决方案。

参考文献：

[1] Zhang, Dewei, et al. "Colorless and unidirectional diffractive-type solar concentrators compatible with existing windows." PhotoniX 6.1 (2025): 20.

[2] Aghajari, H. Asadi, et al. "Analyzing complexities of integrating Renewable Energy Sources into Smart Grid: A comprehensive review." Applied Energy 383 (2025): 125317.

[3] Traverse, Christopher J., et al. "Emergence of highly transparent photovoltaics for distributed applications." Nature Energy 2.11 (2017): 849-860.

[4] Marchini, Francesco, et al. "Development of an innovative translucent–photoluminescent coating for smart windows applications: An experimental and numerical investigation." Renewable and Sustainable Energy Reviews 184 (2023): 113530.

[5] Nayak, Pabitra K., et al. "Photovoltaic solar cell technologies: analysing the state of the art." Nature Reviews Materials 4.4 (2019): 269-285.

策划制作

作者丨杨 超 深圳理工大学 博士

审核丨李学杨 南洋理工大学

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