研究背景

全球變暖持續推高建筑冷熱負荷，暖通能耗激增與減排目標的矛盾日益凸顯，迫切需要從建筑圍護結構入手降低基礎熱負荷。窗戶作為太陽輻射輸入與室內外熱量交換的關鍵通道，直接影響建筑采光、熱舒適和空調負荷。針對建筑窗戶光熱傳輸的主動調控需求，電致變色智能窗（ECW）憑借動態調節太陽光譜透射率，理論上可降低建筑能耗約40%；然而，傳統ECW的運行仍然依賴外部供電，這種以能換能的模式產生的額外電耗，嚴重影響了其實際的凈節能效益。

將光伏（PV）與電致變色智能窗（ECW）集成可實現自供電運行，從而克服對外部電源的依賴。然而，現有集成方案仍面臨技術妥協：外置或邊緣集成設計導致光伏活性區域嚴重受限；而垂直集成的半透明鈣鈦礦器件，又因材料固有著色犧牲了初始透過率，難以保障視覺舒適度。因此，開發兼具高初始透過率與寬光譜調控的深度集成自供電智能窗，仍是當前該領域亟待突破的核心瓶頸。

本文亮點

近期，俞書宏院士和王金龍助理教授團隊在Watt期刊發表題為“A perovskite solar cell-powered smart window with high initial transparency for tri-band solar spectrum management”的研究，采用“共用透明ITO電極”策略，將透明鈣鈦礦太陽能電池與電致變色器件無縫耦合，構建了一種新型的自供電電致變色智能窗。該技術的核心亮點包括：

（1）高透光外觀與自供電調控的協同統一

智能窗在低輻照或寒冷環境下保持86.8%的高透光率，確保室內自然采光；在強太陽輻照條件下，通過吸收紫外光發電自驅動電致變色，實現對太陽輻射的有效阻隔。

（2）環境自適應，多波段太陽光譜精準管控

智能窗可隨外界太陽輻照強度和氣候條件變化，自主匹配并調節至適宜的光學調制狀態，實現按需響應的動態光熱管理。同時，智能窗還表現出優異的光譜調控能力，在640nm處可見光調制幅度達43%，在1100nm處近紅外調制幅度達57%，兼顧采光控制與隔熱性能。

（3）高效室內熱管理，賦能建筑節能降碳

實驗與模擬雙重驗證表明：智能窗兼具優異的降溫性能、突出的凈節能價值及廣泛的節能普適性，為綠色建筑提供了可靠的技術方案。

圖文解析

圖1. PSC-ECW的結構和調制機理示意圖。

要點總結：

如圖1所示，PSC-ECW器件通過巧妙集成了負責紫外光收集的寬帶隙MAPbCl3光伏模塊與負責光譜調制的W18O49電致變色模塊，實現了高效的自供電光熱管理。在著色階段，外部的光伏模塊將吸收的高能紫外光子轉化為電能并建立驅動電場，促使凝膠電解質中的H+離子注入原本透明的W18O49納米線薄膜中，生成藍色的HXW18O49，從而實現對可見光與近紅外光的動態調制。在漂白階段，通過短路外部電路誘導電子的自發復合以消除內部電場，促使H+離子重新脫出并返回電解質中，使器件可逆地恢復至初始的無色透明狀態。

圖2. 集成PSC-ECW器件的結構設計和光學特性。a，八層W18O49 NW薄膜的SEM圖像。b，glass/ITO/c,m-TiO2/MAPbCl3/Spiro-OMeTAD/ITO太陽能電池器件的截面SEM圖像。c，1個太陽光條件下集成裝置PSC的J-V曲線。d，除去ITO背景后，PSC-ECW器件在有色/漂白狀態下的光學照片和透射光譜。e，集成器件在有色/漂白狀態下的太陽輻照光譜。f，PSC-ECW器件在不同溫度下有色/漂白狀態的透射光譜。g，循環穩定性測量，記錄640 nm/1100 nm處顯色和漂白狀態下100次循環的透光率變化。h，集成太陽能電池電致變色器件性能比較。

要點總結：

圖2展示了集成器件的結構與各項光學性能。本研究通過溶劑熱法制備W18O49納米線，并利用LB膜技術將其組裝為電致變色電極，同時采用多步旋涂和改良離子交換法制備以寬帶隙MAPbCl3為光敏層的高透明鈣鈦礦太陽能電池，最終構建了集成式自驅動PSC-ECW智能窗器件。在器件中，PSC負責吸收紫外光并產生光電壓和光電流，以驅動W18O49電致變色層實現透明態與著色態之間的可逆轉換。通過控制W18O49納米線層數為8層，使器件在保持86.8%高平均可見光透過率的同時，表現出優異的可見光和近紅外光調制能力，在640nm和1100nm處的透過率調制幅度最高分別達到43%和57%，著色態下可阻擋66.3%的太陽輻射，展現出良好的光熱管理潛力。此外，器件在80 °C高溫下仍能保持超過90%的光調制能力，經過100次連續循環后調制率仍保持約80%，說明其具備較好的熱穩定性和循環可靠性。

與已有集成太陽能電池-電致變色器件相比，本PSC-ECW器件在光學性能方面展現出優勢，尤其是在高可見光透過率、寬光譜調制能力和近紅外阻隔效果方面表現突出；盡管其能量轉換效率相對有限，但這種以強化光學調控為核心的設計更符合智能窗對采光、遮陽和熱管理的實際需求，因此具有更高的應用價值。

圖3. PSC驅動的ECW太陽調制性能。a，PSC供電ECW的等效電路圖。b，在PSC提供能量條件下，不同W18O49薄膜層ECW的原位透射光譜。c，在PSC提供能量條件下，不同W18O49薄膜層ECW在640nm處的調制率。d，不同老化時間PSC-ECW的動態透射比響應（在640 nm下監測）。e，在0-1.0個太陽光照下，PSC供電的ECW的透射光譜。f，在0-1.0個太陽光照下，PSC供電的ECW的640nm處的調制率。g，在640 nm處監測的響應時間曲線。h，PSC供電ECW在光照和黑暗條件下的動態透射率變化。

要點總結：

圖3驗證了PSC驅動的ECW在太陽能驅動下的光調制能力、環境穩定性和自適應響應特性。該系統成功實現了由紫外光驅動的自適應光譜調制。實驗表明，隨著W18O49納米線層數的增加，器件的光調制能力穩步提升，且PSC產生的電能可以達到與獨立電源驅動相當的調制水平。在穩定性方面，該器件在真實環境測試中展現出卓越的耐受性，在936小時內輸出電壓僅輕微下降8%，確保長時間穩定供電。

該系統具有自適應特性，其輸出電壓隨入射光強（0.2至1個太陽光）動態調節，驅動光調制率實現從3.8%到34.9%的階梯式增長，從而在不同光照條件下實現自動的光學管理。盡管受限于內部阻抗使得響應時間（著色68s，漂白36s）略慢于獨立器件，但仍在實際應用可接受范圍內，不影響其功能實現。其在實際氣象條件下的表現極具實用價值：在多云時保持86%的高透光率，晴天則自發切換至47%的遮蔽態，且在長期運行中電壓始終維持在工作閾值之上，充分證明了其作為全天候智能窗的可靠性。

圖4. PSC-ECW的溫度調節性能。a，PSC-ECW的兩種運行模式及工作原理示意圖。b，室內降溫性能的實驗裝置示意圖。c，在100mW cm-2模擬太陽輻照下，配備PSC-ECW的模型測試腔與商用玻璃的溫度變化。d，紅外攝像機實時監測中心黑體溫度的圖像。e，在100mW cm-2模擬太陽輻照下，配備PSC-ECW與商用玻璃的腔室內室溫（T-R）、最高黑體溫度（T-BM）和平均黑體溫度（T-BA）的比較。f，戶外實驗裝置及環境天氣狀況的照片。g，h，實際環境下，配備PSC-ECW與商用玻璃窗的腔室內溫度變化曲線與平均溫度對比。

要點總結：

圖4驗證了PSC-ECW在模擬太陽光和真實戶外環境下的溫度調節能力。PSC-ECW具備自適應控溫能力，可隨環境光強自動在透光采光與著色隔熱之間切換。模擬太陽光測試表明，在100mW cm-2氙燈照射20min后，商業玻璃模型的室內空氣溫度和黑體溫度分別升至61.6℃和65.9℃；而采用 PSC-ECW 后，閉路工作狀態下兩者分別降至51.5℃和55.4℃，體現出明顯的隔熱降溫效果。戶外白天實測進一步驗證，上午光照較弱時器件維持漂白態，午間隨輻照增強自動切換至有色態以遮擋可見光和近紅外光，最大實現11.9°C的降溫，之后又隨光強減弱恢復透明。統計分析顯示，主要工作時段內平均室內溫度較商用玻璃分別降低3.5°C（開路）和8.8°C（閉路），且連續多日的戶外測試表明其在不同天氣條件下均具有良好的再現性與穩定的自適應切換能力。

圖5. PSC-ECW節能模擬。a，b，晴天與多云條件下的智能窗設計圖。c，在深圳氣候條件下，全年12個月將PSC-ECW應用于建筑天窗的能耗情況及相應的CO2減排量。d，選取來自不同氣候區的6個代表性城市評估將PSC-ECW應用于建筑天窗的節能效果。e，配備PSC-ECW建筑模型的全球節能分布圖。

要點總結：

圖5通過建筑能耗模擬評估了PSC-ECW的節能潛力。全尺寸建筑模型的模擬結果顯示，在深圳這樣典型的高能耗城市中，該智能窗相較商用玻璃每年可實現145.9MJ m-2的節能效果（相當于每年每平方米減少40.4kg的CO2排放），并且得益于其出色的透光率，冬季微小的采暖需求增加對整體能耗的影響可忽略不計。從全球范圍的六大代表性城市評估來看，PSC-ECW在熱帶地區年節能率超過30%，溫帶地區亦高于10%，其中印度印多爾年節能高達293.4MJ m-2；全球模擬結果呈現明顯的地理分布規律，即低緯度高日照地區節能效果最為突出，但在高緯度地區仍保有可觀收益。

總結與展望

本文開發了一種通過垂直集成工藝制備的一體式自供電PSC-ECW智能窗。該器件利用太陽光紫外波段發電，驅動電致變色層動態調控可見與近紅外光透過，實現了無外接電源的自適應光熱管理。該器件不僅具備寬域的溫度/透過率調節范圍及良好的循環穩定性，其架構更具有普適性，可拓展至多種電致變色體系以實現按需調控。進一步，通過優化鈣鈦礦、電荷傳輸層以及電極層的界面匹配，以降低電壓損失提升光伏輸出來改善器件光伏調制性能，將有望推動該智能窗在零碳建筑中的應用推廣。