许多汽车和建筑物的窗户都贴有隔绝不必要阳光的薄膜，这是一种有助于降低供暖和制冷成本的节能措施。其他环保窗户则采用一层透明的太阳能电池涂层，将它们变成迷你发电机。但你可能找不到同时具备这两种功能的窗户。至少目前还没有。这种情况可能会改变。中国科学家发明了一种既能阻挡阳光又能发电的新材料。他们预测，配有这种产品（甚至是可以使用的窗帘）的窗户最终可以将普通家庭的电费账单至少减半。“我们将材料创新和光学薄膜设计相结合，以实现将太阳能发电和隔热功能集成到一张薄膜中的目标，”华南理工大学材料科学与工程教授 Yip Hin-Lap (Angus) 说。“我们的房屋能源效率可以说是翻倍了：发电和省电。”
要构建一个能够同时发电和阻止过热的原型，科学家们（包括同样来自华南理工大学的黄飞）必须在收集光线发电和阻止光线之间取得平衡，他们混合搭配了各种材料和化学化合物，以找到完全合适的组合。
最终，他们设计出一种产品，能够让可见光通过，但能阻挡“主要的供暖罪魁祸首”——红外光，Yip 说。然后，研究人员将可见光和红外光之间的近红外区域转化为电流。
“我们将太阳光转化为电能的主要材料是聚合物半导体，”Yip 说。“我们可以设计其化学结构并调整其吸收特性。这种有机材料具有非常独特的吸收特性，可以有选择性地吸收近红外光，但允许大部分可见光通过，这使其成为半透明光伏（PV）窗户应用的理想材料。”
他补充说，目前基于硅或其他无机半导体的太阳能电池技术不适合光伏窗户应用，“因为它们是不透明的，外观暗淡。”“相反，我们可以将有机光伏电池制成半透明、轻质、彩色的薄膜，非常适合将窗户变成发电机和隔热材料。”
一篇描述该研究的论文发表在《Joule》杂志上。
Yip 说，这种材料类似于报纸印刷或汽车涂料中使用的颜料，“但功能更多，”他说。“实际上，我们可以使用卷对卷印刷工艺在柔性基板上制造聚合物太阳能电池，就像我们印刷报纸一样。与生产硅太阳能电池所需的高能耗工艺相比，聚合物太阳能电池的生产能耗更低，碳足迹也更小。”
该材料有多种潜在应用。由于它是一种柔性和可卷曲的薄膜，Yip 认为它将非常适合做窗帘。“如今，许多窗帘通过电控制来打开和关闭，而我们的光伏窗帘薄膜将产生电力，同样的电路可以用来传输电力，然后可以直接使用或储存起来为房屋中的其他设施供电，”他说。
他还看到了它们在自给自足温室中的价值。“只需要根据植物主要吸收蓝光和红光（这就是它们呈绿色的原因）来调整光伏窗帘薄膜的光学特性，”他说。“所以，用于温室的光伏窗帘薄膜设计必须最大化蓝光和红光的透射率。通过新材料设计和光学工程可以实现这一点。”
科学家们估计，安装兼具发电和隔热双重功能的窗户可以将普通家庭对外部电力的依赖性降低 50% 以上，尽管这一数字假设每个窗户的每一平方英寸都覆盖着多功能太阳能电池板。
Yip 指出，研究人员在自己的研究演示中甚至没有使用“该领域最好的有机光伏材料”，他补充说：“它们的效率正在快速提高，我们预计将能够持续改进这种统一的太阳能电池窗户薄膜的性能。制造隔热、多功能、半透明的聚合物太阳能电池只是探索有机光伏新应用的开始。”
Yip 说，这种产品很容易规模化生产以广泛使用，而且虽然初期成本可能比传统薄膜高，但“它会很快收回成本。”“我们认为，聚合物基太阳能电池的能源回收时间将比无机光伏电池短得多，因为它们可以使用低能耗的印刷工艺来制造，”他说。
“就薄膜的成本而言，由于其结构与目前的隔热薄膜非常相似，只是增加了几层，”他补充说。“我预计它会比目前的窗户薄膜稍贵一些。但由于其能源效率可以翻倍，我们相信成本回收时间会很短，可能在三到四年内。”
他预计这些材料可以在五年内实现商业化使用。
“从聚合物太阳能电池被发现到现在大约有 25 年了，”他说。“我们在提高聚合物太阳能电池的效率和稳定性方面取得了一些非常好的进展。如果我们能在未来几年内确定规模化生产这些光伏技术的最佳材料和工艺，也许我们能在它们问世 30 周年之际随处可见。”
玛琳·西蒙斯为Nexus Media撰稿，该媒体是一家涵盖气候、能源、政策、艺术和文化的联合新闻社。
