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撰文│ 蔡毅
一种兼具节能和太阳能发电两大功能的“智能窗户”，将吹响建筑物节能新号角。
将太阳能电池植入一种可自行调节热传递的“智能窗户”，使窗户集节能与发电两大功能于一身，而且完全不影响窗户的透明度——这不是科幻电影中的桥段，中国科学家正在把这一场景变为现实。
中国科学院上海硅酸盐研究所高彦峰领导的一个研究团队，通过为玻璃镀上一层二氧化钒，开发出了一种可根据环境温度，调节阳光中红外线透过率的节能玻璃。而且在此基础上，他们还利用二氧化钒对入射光的散射作用，把散射的阳光导向玻璃四周的窗框（这些窗框由高效的太阳能电池板构成），因此这种窗户在节能的同时还可发电。这项研究发表在2013年10月24日的《科学报告》上。
上述“智能窗户”的实现，依赖于二氧化钒可以发生相变的特殊性质。相变前后，二氧化钒的结构、光学和电学性能都会发生显著变化。
低温时，二氧化钒晶体呈半导体或绝缘状态；高温时，二氧化钒晶体的结构会发生改变，显示出金属特性。因此，发生相变后，二氧化钒的电阻也会发生大幅度变化：高温时，二氧化钒的电阻仅为低温时的百分之一到百万分之一。在光学性质方面，相变前后，可见光的透过率几乎不会变化，但对于红外线，“智能窗户”却可由低温的透明状态，转变为高温的反射或吸收状态，这就是“智能窗户”可以根据环境温度变化，调节红外线透过率的关键所在。
二氧化钒的另一个好处在于，它还可以吸收紫外线，阳光中约93％的紫外线都可被它吸收，并且这不会受到二氧化钒相变的影响。（众所周知，在紫外线的长期照射下，人体会受到伤害，室内家具的使用寿命也会受到影响。）
为了让通过窗户的可见光不被“浪费”，高彦峰和同事想到了用可见光来发电。他们最初的设想是，将高效太阳能电池夹在玻璃中间，但由于太阳能电池的透光性不好，这一方案无法实现。于是，高彦峰把目光转向了窗户四周，设计出了一种“三明治”结构的玻璃，两层透明的玻璃板中间夹着一层二氧化钒镀膜。然后，在窗户四周安上高效太阳能电池。他通过调节镀膜中二氧化钒颗粒的形态、大小及彼此之间的距离，使这些离散分布的纳米颗粒形成数以千万计的“小斜面”。当大量可见光通过时，总有些可见光会撞上“小斜面”而改变传播方向，照射到四周的太阳能电池上，达到发电的目的。
测试结果表明，这种“智能窗户”在节能方面表现优异：夏季使用空调时，可减少10％以上的电能消耗，而且随气候条件不同，最高可节省30％的电能。至于发电，根据现有实验结果测算，5平方米的玻璃窗户在正午阳光最强的时候，所产生的电量可以点亮一个34瓦的灯泡。如果能找到合适的产业化合作伙伴，高彦峰认为，在1～2年内，这种“智能窗户”就可以实现产业化。
尽管相对于普通窗户，“智能窗户”所用材料多，制作工艺复杂，成本会因此上升，但考虑其节能、发电，以及对环境和居住舒适度的贡献，“这一产品仍将是性价比非常高的新一代窗户”，高彦峰说道。