夏日午后，你收否有過這樣的想法，如果將透過窗戶刺眼的陽光直接轉化為電能，是否能讓建筑本身也參與發電？在全球能源結構加速轉型的背景下，建筑物成為最具潛力的能源利用場所之一。高層建筑的外墻大多由大面積玻璃幕墻構成，這些表面長期暴露在陽光下，卻很少被用于能源采集。如何讓窗戶在保持采光與通透的同時實現發電，成為建筑節能領域的重要研究方向。

　　近日，南京大學的研究團隊在國際期刊《PhotoniX》上報道了一項新成果——一種可直接涂覆在玻璃表面的太陽能采集涂層。這種透明的液晶薄膜能夠將陽光導向玻璃邊緣，再由小型光伏芯片將其轉化為電能。研究人員稱，這項技術在實驗中已能驅動小型電機運行，顯示出在未來建筑節能、城市能源利用方面的巨大潛力。

　　發表在《PhotoniX》關于玻璃表面光伏發電的研究（圖片來源：參考文獻[1]）

　　為什么窗戶發電一直很難

　　在建筑節能技術的發展中，如何將光伏系統與建筑結構融合，是一項長期存在的工程挑戰。

　　傳統的光伏窗通常采用非晶硅、砷化鎵、有機光伏或鈣鈦礦等材料，將太陽能電池嵌入玻璃層中以實現發電功能。然而，這些方案普遍存在三個問題。

　　首先是透光性受限。發電材料在吸收光能的同時，也會阻擋可見光，使玻璃顯得昏暗或帶有明顯的色偏，不利于室內采光。對需要自然光環境的建筑而言，這種光線衰減難以接受。

　　其次是能量轉換效率低。透明光伏材料雖然能透光，但吸收太陽能的效率往往不足，僅能利用約20%的入射光能，遠低于傳統屋頂光伏組件的性能。這意味著窗戶在發電與采光之間始終難以取得平衡。

　　第三是制造與安裝成本高。現有光伏窗需要在生產階段將電池層與玻璃進行一體化封裝，無法直接用于已建成的建筑，也增加了維護與更換的難度。對

　　因此，盡管建筑集成光伏已成為綠色建筑的重要方向，能夠兼顧高透明度、美觀性和高效發電的窗體材料仍然稀缺。研究者們一直在尋找一種能夠直接附著在現有玻璃上的新型技術，使建筑表面真正成為可持續能源系統的一部分。

　　我國科學家的液晶光波導方案

　　南京大學研究團隊提出了一種新的思路——通過在普通玻璃上涂覆多層膽甾型液晶材料（Cholesteric Liquid Crystal, CLC），構建出一種無色、透明且能定向傳導光線的太陽能聚光系統。

　　這種涂層的核心原理在于光的偏振特性。膽甾型液晶是一種具有螺旋結構的光學材料，能夠選擇性反射與自身結構匹配的圓偏振光，同時允許其他光線透過。

　　研究人員將具有不同螺距的CLC層依次疊加，使其反射帶覆蓋整個可見光波段（400–750納米），從而實現對寬譜太陽光的有效引導。

　　基于CLC層鍍膜建筑玻璃圓偏振分光的概念圖（圖片來源：參考文獻[1]）

　　當陽光照射到涂層上時，部分光被反射并在玻璃內部形成全內反射波導，最終集中至玻璃邊緣的光伏芯片，由芯片將能量轉換為電能。

　　實驗結果表明，研究團隊制作的樣品直徑約為2.5厘米，能夠在室外條件下驅動一臺功率為10毫瓦的小型風扇運行。這一原型的平均可見光透過率為64.2%，顯色指數達到91.3，說明涂層幾乎不會影響窗戶的透明度與視覺效果。

　　在陽光下驅動 10 mW 風扇（圖片來源：參考文獻[1]）

　　模型計算顯示，若應用于兩米寬的建筑玻璃，光能集中倍數可達到50倍，顯著提高光能利用效率。

　　此外，這種液晶涂層無需在玻璃內部嵌入電池結構，而是可以直接通過表面涂覆的方式實現，具備較高的可行性。它只需在玻璃一側邊緣安裝光伏片即可發電，能夠減少約75%的光伏材料使用量，顯著降低制造與維護成本。

　　研究團隊指出，這一系統在兼顧透明、美觀與高效能量收集的同時，還具備良好的可擴展性。隨著液晶厚度、螺距與光學結構的進一步優化，這種太陽能窗有望在高層建筑、溫室設施及城市公共空間中得到廣泛應用。

　　總結

　　這項來自南京大學的研究，為建筑能源利用提供了一種全新的技術路徑。通過在普通玻璃表面涂覆多層膽甾型液晶材料，科研人員成功實現了光線的定向傳導與能量集中，從而在不影響透光和視野的前提下，將窗戶轉化為穩定的太陽能采集裝置。

　　與傳統光伏窗相比，這種液晶光波導系統不僅具備高透明度和良好的色彩還原度，還能大幅減少光伏材料的使用量，降低制造和維護成本。該技術在未來有望與高層建筑外立面、溫室設施及智能玻璃系統結合，為城市提供新的分布式能源解決方案。

　　參考文獻：

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　　策劃制作

　　作者丨楊 超 深圳理工大學 博士

　　審核丨李學楊 南洋理工大學