官方网站-首页

【导语】夏日午后，阳光透过窗户洒入，你是否想过让这刺眼的光线直接化作电能？在全球能源转型浪潮下，建筑节能领域迎来突破——南京大学研究团队在《PhotoniX》发表新成果，研发出可直接涂覆于玻璃表面的透明液晶涂层，能在保持窗户采光通透的同时，将阳光转化为电能，为建筑能源利用开辟全新路径。

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(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(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(tòu)光(guāng)性(xìng)受(shòu)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(zài)室(shì)外(wài)条(tiáo)件(jiàn)下(xià)驱(qū)动(dòng)一(yī)台(tái)功(gōng)率(lǜ)为(wèi)10毫(háo)瓦(wǎ)的(de)小(xiǎo)型(xíng)风(fēng)扇(shàn)运(yùn)行(xíng)。这(zhè)一(yī)原(yuán)型(xíng)的(de)平(píng)均(jūn)可(kě)见(jiàn)光(guāng)透(tòu)过(guò)率(lǜ)为(wèi)64.2%，显(xiǎn)色(sè)指(zhǐ)数(shù)达(dá)到(dào)91.3，说(shuō)明(míng)涂(tu)层(céng)几(jǐ)乎(hu)不(bù)会(huì)影(yǐng)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(jiǎn)少(shǎo)约(yuē)75%的(de)光(guāng)伏(fú)材(cái)料(liào)使(shǐ)用(yòng)量(liàng)，显(xiǎn)著(zhe)降(jiàng)低(dī)制(zhì)造(zào)与(yǔ)维(wéi)护(hù)成(chéng)本(běn)。

研(yán)究(jiū)团(tuán)队指出(chū)，这(zhè)一(yī)系(xì)统(tǒng)在(zài)兼(jiān)顾(gù)透(tòu)明(míng)、美(měi)观(guān)与(yǔ)高(gāo)效(xiào)能(néng)量(liàng)收(shōu)集的(de)同(tóng)时(shí)，还(hái)具(jù)备(bèi)良(liáng)好(hǎo)的(de)可(kě)扩(kuò)展(zhǎn)性(xìng)。随(suí)着(zhe)液(yè)晶(jīng)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(jiāng)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