能發電、可節能、會調節進光量

因為這些窗戶，未來10年城市将大變樣？

視覺中國供圖

為建築供熱制冷是碳排放的一個巨大來源。那麼毫不起眼的窗戶能否成為綠色科技的下一個風口？

用玻璃發電

2019年年底，美國加利福尼亞州紅杉市的Ubiquitous Energy公司的員工聚集在完全由玻璃窗組成的會議室裡，他們面前的新型玻璃窗不僅能呈現加利福尼亞州北部壯觀的山景和美麗的天空，還能兼作光伏電池，為公司的照明、電腦和空調等供能。

經過多年的研發，該公司實現了一項技術突破——發電玻璃，其中的奧秘在于玻璃薄闆之間加入的多種有機聚合物層，其中一些聚合物層能完全透光，而另外一些能吸收不可見的紅外線和紫外線。光線透過玻璃時，聚合物層之間的電子形成電流，被玻璃中的細導線收集。

公司業務拓展總監Veeral Hardev說：“這有點像反向運行的透明電腦顯示器。”換句話說，顯示器用電點亮屏幕的各個像素點，而這種發電玻璃在光線透過玻璃時，能在不同位置産生電流。

目前，在給定的光照水平下，這種玻璃的發電能力大約是常規屋頂光伏的三分之一，其透光率大約是普通玻璃的一半。

Hardev表示，達到這些指标已足以使這種玻璃成為一種實用的産品，而他的公司有望大幅提高玻璃的透光率。至于較低的發電效率，他指出窗戶所覆蓋的面積比屋頂大，因此能用面積優勢彌補效率上的不足。“你可以兩者都用，但窗戶的發電将更多。”他補充道，最大的挑戰是如何将目前不足0.19平方米的窗戶面積擴大至約4.65平方米。

比玻璃更清晰

窗戶的革命早該出現了。随着世界各大城市重拾對摩天大樓的熱愛，熠熠生輝的高樓已演化成各地的固定景點，但高樓上的玻璃卻幾乎沒有技術上的進步。

對建築的溫度控制是一項巨大挑戰，美國能源專項中18%的資金用于給建築供熱和制冷。據美國勞倫斯伯克利國家實驗室估計，在寒冷的季節裡，從窗戶流失的暖氣折合價值約為200億美元；而在夏季，從裝有空調的建築的窗戶流失的冷氣折合的價值數額更大。總之，用于建築供熱制冷的資金，有一半以上的費用因通過窗戶流失而浪費了。

總部位于密西根的Mackinac Technology公司正在開發一種可放置于普通玻璃表面的塗層塑料薄闆，在不影響視野清晰度的同時，還能改善玻璃的絕熱和熱反射性能。其中，塑料闆将空氣困在中間，提高玻璃的絕熱性能。而塗層能讓可見光透過，但會反射紅外線（攜帶着大部分熱能）。該公司的CEO John Slagter表示，隐形的塗層能減少塑料表面反射的光線，反而增加了窗戶的透光量和室内清晰度。

将塗層塑料薄闆直接安裝在現有窗戶框架上，就可将單層玻璃或雙層玻璃的絕熱性能提高兩倍，同時它非常輕，不會明顯增加窗戶重量。Slagter表示，這種新材料已成功通過了美國加爾文大學在窗戶上的測試。得益于美國政府機構的部分資助，在2022年正式投入使用前，這種塑料薄闆将在更大的試點項目中進行推廣測試。

光線的明暗之争

但有時，高清晰度并不是優點，特别是對于朝南的建築物，強烈的太陽光會通過窗戶射入室内。科羅拉多大學博爾德分校的材料科學研究人員Michael McGehee說：“雖然強光能增加房間的溫度，但人們并不喜歡在陽光充足的環境下工作，因為可能會看不清電腦屏幕。通常他們會選擇拉上窗簾，但這樣又會失去窗外的風景，享受不了陽光帶來的其他好處。”

為緩解陽光的刺眼感，McGehee團隊長期緻力于改進“電緻變色”窗戶（通過外加電場，使材料發生穩定、可逆的顔色變化），通過開關控制窗戶的明暗度，濾除嚴重的眩光，将室内的進光量調節至使人舒适的狀态。基于此，這個團隊設計的窗戶包括一個含有鉑的铟錫氧化物層和一個氧化鎳層，并在兩層之間填充了一種锂溶液。對兩層結構施加低電壓時，它們充當電極産生電場，溶液中的锂離子會遷移并黏附到氧化鎳層。

雖然锂在溶液中是透明的，但覆蓋在氧化鎳層時卻呈半透明狀。McGehee說：“隻需要在電極上覆蓋一層10納米厚的锂，就能阻擋大部分光線。”他補充道，這樣的窗戶就像是建築的“太陽鏡”。此外，通過改變電壓也可以分級調節遮擋陽光的程度。

如果這些成果順利商業化，那麼在未來10—20年裡，窗戶将成為環保型城市的重要組成部分。這會是人類朝着碳足迹歸零方向邁出的堅實一步。

翻譯：巢栩嘉

來源：科學美國人