建筑占全球能源消耗总量的 40%，而供暖、通风和空调 (HVAC) 消耗了建筑能耗的一半，提高能源效率是解决这一问题的关键。热致变色智能窗具有低成本和零能量输入的特性。基于水凝胶复合材料不仅可以调节阳光透过率，还可以提高材料的机械和热响应速度，然而现阶段智能窗主要注重调节透光能力，在太阳光调控的过程中，太阳辐射的能量被浪费。

  日前，中国石油大学（北京）徐泉教授团队设计并制备了一款高太阳能调制能力和自发电的能量生成系统结合的颠覆性新型智能窗（Energy saving and energy generation-ESEG智能窗）。ESEG智能窗由多层百叶太阳能电池结构，温控变色的主客体水凝胶、以及氧化铟锡(ITO)玻璃相结合的结构，兼具节能和发电能力（ESEG智能窗），此款智能窗制造简单、可规模化生产，最重要的是具有储能、节能、主动控制、防冻一体化功能，商业化前景广阔，相关成果已发表于Advanced Science，2022，202105184。

图1. (a)节能储能一体化智能窗的多层百叶结构；(b) 主客体热致变色水凝胶（HGT水凝胶）的机理示意图和0.15 m²窗户在不同温度下50×30 cm测试的光学照片；(c) 不同环境下的节能储能一体化智能窗示意图；(d) ESEG不同视角的光学照片。图片来源：Advanced Science

  主客体热致变色水凝胶（HGT水凝胶）由透明热稳定 (PAM-PAA) 水凝胶基质，及热响应羟丙基纤维素 (HPC) 微粒制成。在临界溶解温度 (LCST) 以下，HPC 在 PAM-PAA 基质中分布良好，并与周围的水分子形成氢键，此时 HGT 水凝胶是透明的。然而，随着温度升高到LCST以上，HPC的相互作用以及氢键和分子内相互作用发生了变化，HPC分子将自缔合形成亚稳态纳米球而不会沉淀，这将导致光的散射，并且 HGT 水凝胶会变得不透明（图b）。复合水凝胶智能窗在 25 ℃（左）和 80 ℃（右）下，来自太阳的近红外光进入硅基太阳能电池并转化为电能，可见光在低温下穿过夹层结构（图c）。同时，作者证明视线与窗户成90-60°角时，视觉效果不受影响（图d）。

  节能智能窗被广泛用于墙壁、屋顶等建筑结构中，为确保ESEG智能窗的稳定的光调节能力，作者针对不同浓度的HGT 水凝胶进行了测试。所有样品在室温下都显示出高透光率 (T_lum)。根据不同浓度的样品在25 °C和80 °C的透射光谱可以观察到，随着HPC和PAA浓度的增加，发光 (ΔT_IR，87.27 %)、红外和太阳波长的透射率调制能力都在增加。随着HPC浓度的增加，太阳光、红外和太阳波长的透射率调制能力逐渐增强后减弱。HGT 水凝胶的平均 LCST 约为 30°C，低于纯 HPC (~45°C)。这可能是由于 PAA 的引入可以改变水凝胶结构，从而降低 HGT 水凝胶的 LCST。HGT 水凝胶智能窗的循环稳定性，在 25 ℃ 和 80 ℃下，HGT 水凝胶智能窗在 650 nm 处的透光率变化在 200 次循环后可以忽略不计。HGT水凝胶实现了更高的T_lum和令人满意的ΔT_sol，具有很高的节能效率（图2）。

图2. (a) 最佳HPC浓度和最佳HGT水凝胶在25 ℃和80 ℃下的透射光谱；(b) 25 ℃下透光率(T_lum)、透光率差异、红外透过率(ΔT_IR)差异、不同浓度下太阳光调制能力(ΔT_sol)的光学性能比较；(c) 25 ℃下的透光率（T_lum，25 ℃）、透光率差（ΔT_lum）、红外透射率差（ΔT_IR）和不同浓度的太阳调制能力（ΔT_sol）的光学性能比较；(d) 纯 HPC 的光学照片；(e) 和 HGT 水凝胶分别在 25 ℃、50 ℃ 和 80 ℃ 下；(f) HGT 水凝胶智能窗的循环测试；(g) 这项工作与关于 T_lum 和 ΔT_sol 的其他工作的比较。图片来源：Advanced Science

图 3. (a) 普通和 HGT 水凝胶智能窗设置的室内热和照度测试方案；(b) 模拟阳光下普通窗和HGT水凝胶智能窗的室内照度；(c) 模拟阳光下参考和HGT水凝胶智能窗的室内温度；(d) 0 s、(e) 300 s、(f) 600 s模拟阳光下普通窗式房屋和 (g) 0 s时HGT水凝胶智能窗式房屋的热红外图像和光学照片,  (h) 300 s，(i) 600 s；(j) 北京户外示范的 24 小时气温曲线。插图分别是原始和 HGT 水凝胶窗式房屋的白天 (12:00) 和夜间 (05:00) 温度读数。图片来源：Advanced Science

  基于上述讨论，HGT水凝胶智能窗具有令人满意的光调节能力。为了进一步探索 HGT 水凝胶的太阳能调制和节能性能，作者将该样品安装在温室（30 cm×20 cm×20 cm）上，研究室内光照强度和温度变化。使用原始窗户和 HGT 水凝胶智能窗口的室内照明强度通过光度计通过模拟太阳光进行评估，当环境温度高于 LCST 时，透光率急剧下降以阻挡太阳光。HGT水凝胶智能窗式房屋的温度比原始房屋中的温度增长缓慢，表明HGT水凝胶窗具有出色的节能性能。为了进一步证明 HGT 水凝胶窗的节能性能，将巧克力放置在房屋模型内以评估不同窗户的节能效果，在相同光照时间下，基于HGT水凝胶的智能窗屋的巧克力温度低于原始温度，表明HGT水凝胶智能窗具有良好的节能和储能功能（图3）。

图4（a）2020年6月20日北京太阳光谱辐照度随时间变化；(b) 北京不同时间的月太阳高度角；(c) 太阳能电池模型示意图；(d) 在 c-Si 太阳能电池上测量和模拟的 J-V 曲线；(e) 随入射角变化的 c-Si 太阳能电池的归一化 J_sc/PCE；(f) 北京c-Si太阳能电池月发电量；(g) 不同功能的HGT水凝胶智能窗的光学照片；(h) 不同电压下窗户的温升曲线；在 0 V (I) 和 16 V (J) 电压下不同时间的热红外图像。图片来源：Advanced Science

  为了评估不同时间对太阳释放能量的影响，作者基于真实太阳光谱下的晶体硅 (c-Si) 太阳能电池计算了 J_SC 和 PCE。作者分别取每个口的最大值点并绘制了随时间变化的太阳辐照度，测量市场上购买的c-Si太阳能电池的性能，然后将电池垂直安装在智能窗上。进行了一系列模拟计算，得出北京c-Si太阳能电池的月发电量随时间增加，6月份最高达到90.64 MJ/m²，之后不断下降，在十二月,最低达到39.09 MJ/m²。2020年c-Si太阳能电池年发电量为766.74 MJ/m²。因此，年发电量有潜力达到1105.55 MJ/m²。ESEG 智能窗在使用单片机太阳能电池板作为电源的情况下，电流表显示为2A，1.5V教学实验灯泡发出亮光，额定电压为2V的电风扇正常工作，电器与自供电系统配合良好。同时，ESEG智能窗具有防冻功能，可防止水性窗在低温下冻裂的风险（图4）。

  相关成果以“Energy Saving and Energy Generation Smart Window with Active Control and Antifreezing Functions”发表在Advance Science, 2022，2105184，通讯作者为中国石油大学（北京）徐泉教授，周洋特聘教授与兰文杰副教授。中国石油大学（北京）博士生牛迎春和燕山大学博士杜大学为本文的共同第一作者。感谢国家自然科学基金 (51875577, 51604050), 中国石油大学(北京)科学基金 (No. 2462019BJRC007, 2462019QNXZ02)的资助。近年来中国石油大学（北京）围绕双碳目标成立碳中和未来技术学院，实现书苑制管理，并新增储能科学与工程本科专业，推动产学研用持续落地。

  原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202105184