由鈣鈦礦制成的窗戶既可以制冷，也可以發(fā)電。圖片來(lái)源：Chris Barbalis/Unsplash

近年來(lái)，由于一種名為“鈣鈦礦”的晶體材料家族的突然出現(xiàn)，太陽(yáng)能發(fā)電正在經(jīng)歷著一場(chǎng)革命?，F(xiàn)在，鈣鈦礦正在改造著窗戶，讓它們?cè)诤涞娜兆永锉３智逦谘谉岬南娜贞?yáng)光下卻能夠變暗。

兩個(gè)研究小組的報(bào)告稱，他們已經(jīng)創(chuàng)造出了一種用鈣鈦礦著色的窗戶，這種窗戶不但能夠根據(jù)溫度改變顏色，而且還能像太陽(yáng)能電池一樣獲得能量。這項(xiàng)新技術(shù)有朝一日可以通過(guò)遮擋陽(yáng)光和發(fā)電幫助建筑物降溫。

在透明和不透明之間切換的“智能窗戶”已經(jīng)存在了幾十年。例如，波音787夢(mèng)幻飛機(jī)采用了所謂的“電致變色窗戶”，而這需要一個(gè)外部電源來(lái)使窗戶變暗。但這些窗戶未能在建筑市場(chǎng)產(chǎn)生廣泛的影響，因?yàn)樗鼈兊某杀靖?，同時(shí)阻擋外界光線的能力不一致，并且對(duì)一些人來(lái)說(shuō)，它們對(duì)外部電力的需求也不招人喜歡。

但是，鈣鈦礦提供了一條同時(shí)通向智能窗戶和太陽(yáng)能窗戶的可能途徑。

鈣鈦礦是由具有特定晶體結(jié)構(gòu)的元素混合物與太陽(yáng)能電池構(gòu)成的一種材料，其將陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為電能的效率與最先進(jìn)的硅太陽(yáng)能電池板相當(dāng)——最好的鈣鈦礦可將陽(yáng)光中超過(guò)22%的能量轉(zhuǎn)換為電能，而這一比例對(duì)于硅來(lái)說(shuō)是25%。

通過(guò)改變鈣鈦礦的元素成分，研究人員還可以控制它們的透明度。更有甚者，鈣鈦礦的原始材料比現(xiàn)有的太陽(yáng)能電池要便宜得多。

將所有這些特性結(jié)合在一起的第一個(gè)進(jìn)展出現(xiàn)在2017年11月，當(dāng)時(shí)研究人員報(bào)告說(shuō)，他們?cè)跍囟冗_(dá)到60攝氏度時(shí)，創(chuàng)造了一種含鉛的“鈣鈦礦太陽(yáng)能窗戶”，能夠從透明轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌该鳌?/p>

在較冷的溫度下，位于太陽(yáng)能電池中心的鈣鈦礦形成了一個(gè)復(fù)合物，后者具有一種名為甲胺的有機(jī)化合物。當(dāng)被加熱時(shí)，甲胺會(huì)蒸發(fā)，并從鈣鈦礦中分離出來(lái)，導(dǎo)致后者變黑同時(shí)吸收陽(yáng)光。當(dāng)熱量消散時(shí)，例如太陽(yáng)下山或在冬天時(shí)，甲胺蒸汽又會(huì)回到鈣鈦礦中，并再一次使它變透明。加熱的鈣鈦礦將其能量的11.3%轉(zhuǎn)化為電能。

不過(guò)，這種窗戶也有自己的缺點(diǎn)。最大的問(wèn)題是太陽(yáng)能電池的效率在來(lái)回幾次轉(zhuǎn)換后便會(huì)下降，這可能是因?yàn)榧装肺茨芡耆祷氐解}鈦礦最開始的晶體結(jié)構(gòu)中。

因此，在近1年的時(shí)間里，由這種窗戶的發(fā)明者、科羅拉多州戈?duì)柕鞘忻绹?guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室化學(xué)家Nathan Neale和機(jī)械工程師Lance Wheeler率領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)，一直在努力研究一種不同的鈣鈦礦配方，從而可以在沒(méi)有甲胺化學(xué)反應(yīng)的情況下完成切換。

然而，加州大學(xué)伯克利分校的化學(xué)家Peidong Yang卻擊敗了他們。1月22日，Yang在《自然—材料》雜志上報(bào)道稱，他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開發(fā)出一種基于銫的鈣鈦礦太陽(yáng)能窗戶，這種窗戶在受熱的時(shí)候會(huì)變得不透明并且發(fā)電，但卻不涉及甲胺。這使得這種窗戶可以在不降低性能的情況下反復(fù)切換。

“這是一個(gè)很有吸引力的想法，你可以同時(shí)擁有太陽(yáng)能電池和智能窗戶。”加州帕洛阿爾托市斯坦福大學(xué)材料科學(xué)家Michael McGehee說(shuō)，他同時(shí)從事鈣鈦礦太陽(yáng)能電池和智能窗戶研究。

然而最新的太陽(yáng)能窗戶仍然有其缺點(diǎn)。首先，除非加熱到100攝氏度以上，否則它們不會(huì)從透明轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌该?。另外，它們的效率僅為7%左右，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的太陽(yáng)能電池。McGehee強(qiáng)調(diào)，除了穩(wěn)定性和效率問(wèn)題之外，在不透明的情況下，所有的鈣鈦礦窗戶都有一種略帶紅色的色彩。“這是至關(guān)重要的。”McGehee說(shuō)，因?yàn)榇蠖鄶?shù)建筑開發(fā)商都不愿使用彩色的窗戶。

然而Yang表示，他和他的同事已經(jīng)提出了一種方法，這種方法能夠在50攝氏度至60攝氏度之間發(fā)生切換;他們只是在等待，直到能夠提高太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率。對(duì)新的鈣鈦礦的搜尋工作仍在繼續(xù)，以滿足未來(lái)對(duì)窗戶的所有需求。(趙熙熙)

免責(zé)聲明：本網(wǎng)轉(zhuǎn)載自其它媒體的文章，目的在于弘揚(yáng)科技創(chuàng)新精神，傳遞更多科技創(chuàng)新信息，宣傳國(guó)家科技政策，展示國(guó)家科技形象，參與國(guó)際科技輿論競(jìng)爭(zhēng)，并不代表本網(wǎng)贊同其觀點(diǎn)和對(duì)其真實(shí)性負(fù)責(zé)，在此我們謹(jǐn)向原作者和原媒體致以崇高敬意。如果您認(rèn)為本網(wǎng)文章及圖片侵犯了您的版權(quán)，請(qǐng)與我們聯(lián)系，我們將第一時(shí)間刪除。