黃維院士&秦天石 Nature子刊：智能窗戶最新成果！

【背景介紹】

自Bechinger等人報道了基于液體染料敏化太陽能電池（DSSCs）的原始光電致變色器件（PECDs）以來，自驅動智能窗戶的發展已經持續了25年。Wu等人報道了首次將DSSCs的光伏（PV）和電致變色（EC）特征結合在分離電極結構中的光電致變色器件（PVCDs），該突破將光伏技術擴展到有機光伏（OPV）、鈣鈦礦太陽能電池（PSC）等所有固態候選材料。然而，對比液體PECDs，將固體PVCDs集成到建筑圍護結構中面臨更多挑戰。從分離的不透明PV和EC器件的外部連接開始，這些系統并不是真正的單體結構器件，簡單而言，只是縮短了從光伏發電機到終端電氣設備的電力傳輸距離，對于構建集成應用而言過于繁瑣。此外，不透明或半透明的PV組件不能作為非活性區域變色，限制了其作為理想智能窗戶需要100%活性覆蓋。因此垂直串聯架構被認為是最先進的集成策略。鑒于此，最近通過兩種途徑將半透明特性應用于串聯結構PVCD：（1）在本質上不透明的PV層上物理減小厚度或圖案化空隙窗戶導致低原始透射率（T%）和低對比度在PVCD中；（2）化學加寬PV材料的光學帶隙以僅吸收部分可見波長導致不舒服的視覺環境和較差的顯色指數（CRI）。

【成果簡介】

近日，南京工業大學秦天石教授和西北工業大學黃維院士（共同通訊作者）等人報道了一種簡便的全溶液處理技術，以實現具有高原始T%和優異CRI的全透明鈣鈦礦PV層。基于此，作者制備了一種光電致變色器件，該器件在垂直串聯結構中結合了可見透明鈣鈦礦PV層和基于離子凝膠的電致變色組件，無需任何中間電極。最重要的是，通過精確調整鹵化物交換周期，該光伏變色組件可以實現高達76%的高原始透光率。此外，它還具有出色的顯色指數，達到了96，對平均可見光透射率（400-780 nm）的寬對比度（>30％），以及自適應透射率調節和根據不同太陽輻照度自動控制室內亮度和溫度。研究成果以題為“Full-frame and high-contrast smart windows from halide-exchanged perovskites”發布在國際著名期刊Nature Communications上。

【圖文解讀】

圖一、PVCDs結構的演變和鈣鈦礦薄膜的表征
（a）四端并排式PV-EC器件架構：PV元件的兩端和EC元件的兩端通過兩個外圓連接；

（b）1-step MAPbCl₃、MAPbBr₃和2-step MAPbCl₃薄膜的照片和SEM圖像；

（c）1-step MAPbCl₃、MAPbBr₃和2-step MAPbCl₃薄膜的透射光譜；

（d）1-step MAPbCl₃、MAPbBr₃和2-step MAPbCl₃薄膜的X射線衍射圖。

圖二、PV組件從半透明到全透明的表征分析及單片PVCD工作機制
（a）鹵化物擴散周期為0、1、5、10和15 min的鈣鈦礦的Tauc圖；

（b）原始MAPbBr₃和MAPbBr_xCl_3-x鈣鈦礦的2D-GIWAXS圖案，鹵化物交換時間為1、5和10 min；

（c）不同鹵化物擴散周期處理的Spiro-PT和MAPbBr_xCl_3-x的價帶水平；

（d）ToF-SIMS深度剖面顯示基于鹵化物交換的MAPbBr_xCl_3-x鈣鈦礦的PV半模塊中所選物種的濃度；

（e）在深度剖面中追蹤的負離子的重建元素3D圖；

（f）單片PVCD的橫截面SEM圖像為玻璃/FTO/PV/EC/FTO/玻璃器件結構；

（g）整體PVCD的能級示意圖。

圖三、基于全透明光伏的太陽能適應性單片PVCD的光電性能
（a）在0.1到1.0 sun的不同陽光強度下，600 nm處的實時透射（T%-t）趨勢；

（b-c）CIE 1976（u′, v′）坐標和不同日光強度下PVCD的照片；

（d）AM 1.5G照明下實時全波長（400-1000 nm）透射光譜的輪廓映射圖；

（e）PVCD在BS和CS的輪廓和紅外照片，用作參考的兩個FTO玻璃基板；

（f）使用395 nm UV-LED 作為對照，BS和CS之間PVCD切換的可重復性。

圖四、太陽能適應PVCD的工作原理
（a）太陽能適應PVCD的充電狀態和放電狀態電路圖；

（b）不同日照強度下充電過程中，PVCD外電路的實時電流（I-t）趨勢；

（c）對于不同日照強度充電的PVCD，充電過程完成后EC元件的電容（Q）；

（d）不同日照強度充電的PVCD放電過程中，外電路的實時電壓（V-t）趨勢。

【小結】

綜上所述，作者首次將自調節陰離子交換策略應用于光電應用中，并成功地實現了一種有希望的性能提升。這種全透明單片智能窗不僅具有自供電、按需控制和基于太陽輻照度的自適應等優點，而且具有良好的可見光透明性和色彩中性、透光率和溫度可調范圍大、可重復使用等特點。此外，AVT的切換水平可以根據太陽輻射強度自動進行自適應，從而使智能窗戶的大腦能夠更智能地響應日出日落和真實天氣。最重要的是，雙端夾層玻璃-凝膠玻璃結構的完整解決方案可加工性可以為未來節能摩天大樓提供最簡單的結構、可擴展的可生產性和建筑集成作為安全玻璃。

文獻鏈接：Full-frame and high-contrast smart windows from halide-exchanged perovskites. Nat. Commun., 2021, DOI: 10.1038/s41467-021-23701-z.

本文由CQR編譯。

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