窗户作为建筑物与外界环境最主要的热交换通道，占据建筑物流入/流失能量的50%，利用窗户进行节能和发电是对屋顶、墙面利用的一种有力补充。现有发电窗技术主要是将透明光伏电池与建筑玻璃相结合，但提高发电效率往往以牺牲窗户透明度为代价。例如，超薄钙钛矿太阳能电池可以获得13.6%的高效率，但平均可见光透射率只有7%；冷光太阳能集中器呈现出88%的高透射率，但发电效率却低于0.5%。当前，多结太阳能电池有望成为保障透明度和提高发电效率的最佳组合，但也存在产生的红外热负荷可能导致器件可靠性降低、使用寿命短的问题。此外，透明光伏电池还受到诸如光损失、电损失、空气敏感性等问题的限制。
近日，中国科学院上海硅酸盐研究所柏胜强正高级工程师、陈立东研究员团队和曹逊研究员、金平实研究员团队，与德国莱布尼兹固态与材料研究所Kornelius Nielsch教授团队、英国考文垂大学方跃平教授、德国比勒费尔德大学Gabi Schierning教授合作，提出了基于光-热-电转换的节能发电窗技术，采用波长选择性吸收薄膜与热电器件耦合，将太阳热转化为电能。相关工作结果以“Transparent Power-Generating Windows Based on Solar-Thermal-Electric Conversion”为题发表在Advanced Energy Materials, 2021, 2101213上。
研究团队设计开发了光-热-电转换演示系统，将具有波长选择性吸收的薄膜集成在透明玻璃上，该薄膜允许可见光通过（透过率最高达88%），同时可以强烈吸收紫外线和红外线，并将其转化为热能。太阳热被波长选择性吸收薄膜收集，定向传导至分布于玻璃边缘区域的热电器件，并被其转换成电能。该系统将能量转换效率与窗户的光学透明度解耦，实现两者的独立调控。同时，由于红外线被吸收，可以减轻建筑物的冷负荷，兼具高效节能和透明发电优点，系统节能效果与Low-E玻璃相当。该系统能够在环境温度下运行，可靠性高、寿命长，且结构简单、易安装，可应用于建筑玻璃、高铁/汽车窗户等领域。
上海硅酸盐所张骐昊博士、黄爱彬博士为论文共同第一作者，相关工作获得国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院基础前沿科学研究计划等项目的资助和支持。
相关链接：
https://doi.org/10.1002/aenm.202101213
基于光-热-电转换的节能发电窗技术示意图与演示系统
光-热-电发电窗的发电性能
光-热-电发电窗的节能效果与其他技术对比
