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发布时间：2025-11-07 10:52 来源：科普中国新媒体
夏日午后，你收否有过这样的想法，如果将透过窗户刺眼的阳光直接转化为电能，是否能让建筑本身也参与发电？在全球能源结构加速转型的背景下，建筑物成为最具潜力的能源利用场所之一。高层建筑的外墙大多由大面积玻璃幕墙构成，这些表面长期暴露在阳光下，却很少被用于能源采集。如何让窗户在保持采光与通透的同时实现发电，成为建筑节能领域的重要研究方向。
近日，南京大学的研究团队在国际期刊《PhotoniX》上报道了一项新成果——一种可直接涂覆在玻璃表面的太阳能采集涂层。这种透明的液晶薄膜能够将阳光导向玻璃边缘，再由小型光伏芯片将其转化为电能。研究人员称，这项技术在实验中已能驱动小型电机运行，显示出在未来建筑节能、城市能源利用方面的巨大潜力。
发表在《PhotoniX》关于玻璃表面光伏发电的研究（图片来源：参考文献[1]）
为什么窗户发电一直很难
在建筑节能技术的发展中，如何将光伏系统与建筑结构融合，是一项长期存在的工程挑战。
传统的光伏窗通常采用非晶硅、砷化镓、有机光伏或钙钛矿等材料，将太阳能电池嵌入玻璃层中以实现发电功能。然而，这些方案普遍存在三个问题。
首先是透光性受限。发电材料在吸收光能的同时，也会阻挡可见光，使玻璃显得昏暗或带有明显的色偏，不利于室内采光。对需要自然光环境的建筑而言，这种光线衰减难以接受。
其次是能量转换效率低。透明光伏材料虽然能透光，但吸收太阳能的效率往往不足，仅能利用约20%的入射光能，远低于传统屋顶光伏组件的性能。这意味着窗户在发电与采光之间始终难以取得平衡。
第三是制造与安装成本高。现有光伏窗需要在生产阶段将电池层与玻璃进行一体化封装，无法直接用于已建成的建筑，也增加了维护与更换的难度。对
因此，尽管建筑集成光伏已成为绿色建筑的重要方向，能够兼顾高透明度、美观性和高效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泛应用。
总结
这项来自南京大学的研究，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."PhotoniX6.1 (2025): 20.
[2] Aghajari, H. Asadi, et al. "Analyzing complexities of integrating Renewable Energy Sources into Smart Grid: A comprehensive review."Applied Energy383 (2025): 125317.
[3] Traverse, Christopher J., et al. "Emergence of highly transparent photovoltaics for distributed applications."Nature Energy2.11 (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 Reviews184 (2023): 113530.
[5] Nayak, Pabitra K., et al. "Photovoltaic solar cell technologies: analysing the state of the art."Nature Reviews Materials4.4 (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
