柏胜强、陈立东等在节能发电窗领域取得新进展

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近年来，全球建筑总面积大幅增长，建筑能耗逐年上升。据国际能源署 (IEA) 统计，建筑及其相关能耗已占全球总能耗的三分之一以上，建筑用能对全球二氧化碳排放的“贡献率”接近40%。因此，利用建筑物实现节能甚至发电，成为推动城市绿色发展的关键之一，对全面实现节能减排目标具有重要意义。
　　窗户作为建筑物与外界环境最主要的热交换通道，占据建筑物流入/流失能量的50%，利用窗户进行节能和发电是对屋顶、墙面利用的一种有力补充。现有发电窗技术主要是将透明光伏电池与建筑玻璃相结合，但提高发电效率往往以牺牲窗户透明度为代价。例如，超薄钙钛矿太阳能电池可以获得13.6%的高效率，但平均可见光透射率只有7%；冷光太阳能集中器呈现出88%的高透射率，但发电效率却低于0.5%。当前，多结太阳能电池有望成为保障透明度和提高发电效率的最佳组合，但也存在产生的红外热负荷可能导致器件可靠性降低、使用寿命短的问题。此外，透明光伏电池还受到诸如光损失、电损失、空气敏感性等问题的限制。

基于光-热-电转换的节能发电窗技术示意图与演示系统

光-热-电发电窗的发电性能

光-热-电发电窗的节能效果与其他技术对比

　　近日，中国科学院上海硅酸盐研究所柏胜强正高级工程师、陈立东研究员团队和曹逊研究员、金平实研究员团队，与德国莱布尼兹固态与材料研究所Kornelius Nielsch教授团队、英国考文垂大学方跃平教授、德国比勒费尔德大学Gabi Schierning教授合作，提出了基于光-热-电转换的节能发电窗技术，采用波长选择性吸收薄膜与热电器件耦合，将太阳热转化为电能。相关工作结果以“Transparent Power-Generating Windows Based on Solar-Thermal-Electric Conversion”为题发表在Advanced Energy Materials, 2021,  2101213上。
　　研究团队设计开发了光-热-电转换演示系统，将具有波长选择性吸收的薄膜集成在透明玻璃上，该薄膜允许可见光通过（透过率最高达88%），同时可以强烈吸收紫外线和红外线，并将其转化为热能。太阳热被波长选择性吸收薄膜收集，定向传导至分布于玻璃边缘区域的热电器件，并被其转换成电能。该系统将能量转换效率与窗户的光学透明度解耦，实现两者的独立调控。同时，由于红外线被吸收，可以减轻建筑物的冷负荷，兼具高效节能和透明发电优点，系统节能效果与Low-E玻璃相当。该系统能够在环境温度下运行，可靠性高、寿命长，且结构简单、易安装，可应用于建筑玻璃、高铁/汽车窗户等领域。
　　上海硅酸盐所张骐昊博士、黄爱彬博士为论文共同第一作者，相关工作获得国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院基础前沿科学研究计划等项目的资助和支持。
　　相关链接：https://doi.org/10.1002/aenm.202101213


      文章来源：上海硅酸盐所
       陈立东，上海硅酸盐研究所研究员。1960年生，1981年毕业于湖南大学，1984年10月赴日本留学，1990年4月获日本东北大学获工学博士学位。先后在日本RIKEN株式会社（Chief Engineer）、日本航空宇宙技术研究所（特别研究员）、美国密西根大学物理系（访问学者）、日本东北大学金属材料研究所（助手，副教授）任职和工作。2001年获中国科学院海外杰出人才引进计划（百人计划）资助进入上海硅酸盐研究所工作，2003年获国家杰出青年基金资助，2004年获得上海市优秀留学回国人才奖和中国科学院百人计划终期评估优秀。现任中国科学院上海硅酸盐研究所研究员、高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室主任，国际热电学会理事会理事，亚洲热电联盟主席。
       曹逊，上海硅酸盐所副研究员。近五年来，以第一/通讯作者在Nano Energy, NPG Asia Mater., Laser Photonics & Rev., J. Mater. Chem. A/C（2篇）, Nanoscale, ACS Appl. Mater. Inter.（4篇）, Sol. Eng. Mater. & Sol. Cells（4篇）, Appl. Phys. Lett.（2篇）等国际核心期刊上发表论文25篇，，单篇最高他引106次，国际会议邀请报告6次，受邀参与编写英文专著3部，以第一/主要发明人累计申请专利23项，已获授权5项，以负责人身份承担项目十余项，累计获得经费支持1000多万元，指导/协助指导研究生8名，其中获得国家奖学金3人次，获得严东生奖学金2人次，获得BHPB奖学金1人次。
       金平实，工业陶瓷研究中心主任。1955年生于中国四川省。1981年毕业于西北轻工业学院。1986年国家教委公派留日，1992年获日本名古屋工业大学电及计算机工程学博士，同年进入日本通产省工业技术院(AIST)任主任研究官，1998年任终身教授级主任研究官。曾兼任瑞典林雪平大学物理系客座研究员，日本爱知工业大学研究生院客座教授，中科院广州能源研究所特聘首席科学家等。先后发表各类论文170余篇，著书3部，申请国外专利33项，获授权11项，受邀国际学术会议报告十余次。