来自南京大学的新发现，透明玻璃窗也能采集太阳能

【导语】夏日午后，阳光透过窗户洒入，你是否想过让这刺眼的光线直接化作电能？在全球能源转型浪潮下，建筑节能领域迎来突破——南京大学研究团队在《PhotoniX》发表新成果，研发出可直接涂覆于玻璃表面的透明液晶涂层，能在保持窗户采光通透的同时，将阳光转化为电能，为建筑能源利用开辟全新路径。

夏日午后，你收否有过这样的想法，如果将透过窗户刺眼的阳光直接转化为电能，是否能让建筑本身也参与发电？在全球能源结构加速转型的背景下，建筑物成为最具潜力的能源利用场所之一。高层建筑的外墙大多由大面积玻璃幕墙构成，这些表面长期暴露在阳光下，却很少被用于能源采集。如何让窗户在保持采光与通透的同时实现发电，成为建筑节能领域的重要研究方向。

近日，南京大学的研究团队在国际期刊《PhotoniX》上报道了一项新成果——一种可直接涂覆在玻璃表面的太阳能采集涂层。这种透明的液晶薄膜能够将阳光导向玻璃边缘，再由小型光伏芯片将其转化为电能。研究人员称，这项技术在实验中已能驱动小型电机运行，显示出在未来建筑节能、城市能源利用(yòng)方(fāng)面(miàn)的(de)巨(jù)大(dà)潜(qián)力(lì)。

发(fā)表(biǎo)在(zài)《PhotoniX》关于(yú)玻(bō)璃(lí)表(biǎo)面(miàn)光(guāng)伏(fú)发(fā)电(diàn)的(de)研(yán)究(jiū)（图(tú)片(piàn)来(lái)源(yuán)：参(cān)考(kǎo)文献(xiàn)[1]）

为(wèi)什(shén)么(me)窗(chuāng)户(hù)发(fā)电(diàn)一(yī)直(zhí)很(hěn)难(nán)

在(zài)建(jiàn)筑(zhù)节(jié)能(néng)技(jì)术(shù)的(de)发(fā)展(zhǎn)中(zhōng)，如(rú)何(hé)将(jiāng)光(guāng)伏(fú)系统与建筑结构融合，是一项长期存在的工程挑战。

传统的光伏窗通常采用非晶硅、砷化镓、有机光伏或钙钛矿等材料，将太阳能电池嵌入玻璃层中以实现发电功能。然而，这些方案普遍存在三个问题。

首先是透光性受限。发电材料在吸收光能的同时，也会阻挡可见光，使玻璃显得昏暗或带有明显的色偏，不利于室内采光。对需要自然光环境的建筑(zhù)而(ér)言(yán)，这(zhè)种(zhǒng)光(guāng)线(xiàn)衰(shuāi)减(jiǎn)难(nán)以(yǐ)接(jiē)受(shòu)。

其(qí)次(cì)是(shì)能(néng)量(liàng)转(zhuǎn)换(huàn)效(xiào)率(lǜ)低(dī)。透(tòu)明(míng)光(guāng)伏(fú)材(cái)料(liào)虽(suī)然(rán)能(néng)透(tòu)光(guāng)，但(dàn)吸(xī)收(shōu)太(tài)阳(yáng)能(néng)的(de)效(xiào)率(lǜ)往(wǎng)往(wǎng)不(bù)足(zú)，仅(jǐn)能(néng)利(lì)用(yòng)约(yuē)20%的(de)入(rù)射(shè)光(guāng)能(néng)，远(yuǎn)低(dī)于(yú)传(chuán)统(tǒng)屋(wū)顶(dǐng)光(guāng)伏(fú)组(zǔ)件(jiàn)的(de)性(xìng)能(néng)。这(zhè)意(yì)味(wèi)着(zhe)窗(chuāng)户(hù)在(zài)发(fā)电(diàn)与(yǔ)采光(guāng)之(zhī)间(jiān)始(shǐ)终(zhōng)难(nán)以(yǐ)取(qǔ)得(de)平(píng)衡(héng)。

第(dì)三(sān)是(shì)制(zhì)造(zào)与(yǔ)安(ān)装(zhuāng)成(chéng)本(běn)高(gāo)。现(xiàn)有(yǒu)光(guāng)伏(fú)窗(chuāng)需(xū)要(yào)在(zài)生(shēng)产(chǎn)阶(jiē)段(duàn)将(jiāng)电(diàn)池(chí)层(céng)与(yǔ)玻璃进行一体化封装，无法直接用于已建成的建筑，也增加了维护与更换的难度。对

因此，尽管建筑集成光伏已成为绿色建筑的重要方向，能够兼顾高透明度、美观性和高效发电的窗体材料仍然稀缺。研究者们一直在寻找一种能够直接附着在现有玻璃上的新型技术，使建筑表面真正成为可持续能源系统的一部分。

我国科学家的液晶光波导方案

南京大学研究团队提出了一种新的思路——通过在普通玻璃上涂覆多层胆甾型液晶材料（Cholesteric Liquid Crystal, CLC），构建出一种无色、透明且能定向传导光线的太阳能聚光系统。

这种涂层的核心原理在于光的偏振特性。胆甾型液晶是一种具有螺旋结构的光学材料，能够选择性反射与自身结构匹配的圆偏振光，同时允许其他光线透过。

研究人员将具有不同螺距的CLC层依次叠加，使其反射带覆盖整个可见光波段（400–750纳米），从而实现对宽谱太阳光的有效引导。

基于CLC层镀膜建筑玻璃圆偏振分光的概念图（图片来源：参考文献[1]）

当阳光照射到涂层上时，部分光被反射并在玻璃内部形成全内反射波导，最终集中至玻璃边缘的光伏芯片，由芯片将能量转换为电能。

实验结果表明，研究团队制作的样品直径约为2.5厘米，能够在室外条件下驱动一台功率为10毫瓦的小型风扇运行。这一原型的平均可见光透过率为64.2%，显色指数达到91.3，说明涂层几乎不会影响窗户的透明度与视觉效果。

在阳光下驱动(dòng) 10 mW 风扇（图片来源：参考文献[1]）

模型计算显示，若应用于两米宽的建筑玻璃，光能集中倍数可达到50倍，显著提高光能利用效率。

此外，这种液晶涂层无需在玻璃内部嵌入电池结构，而是可以直接通过表面涂覆的方式实现，具备较高的可行性。它只需在玻璃一侧边缘安装光伏片即可发电，能够减少约75%的光伏材料使用量，显著降低制造与维护成本。

研究团队指出，这一系统在兼顾透明、美观与高效能量收集的同时，还具备良好的可扩展性。随着液晶厚度、螺距与光学结构的进一步优化，这种太阳能窗有望在高层建筑、温室设施及城市公共空间中得到广泛应用。

总结

这项来自南京大学的研究，为建筑能源利用提供了一种全新的技术路径。通过在普通玻璃表面涂覆多层胆甾型液晶材料，科研人员成功实现了光线的定向传导与能量集中，从而在不影响透光和视野的前提下，将窗户转化为稳定的太阳能采集装置。

与传统光伏窗相(xiāng)比(bǐ)，这(zhè)种(zhǒng)液(yè)晶(jīng)光(guāng)波(bō)导(dǎo)系(xì)统(tǒng)不(bù)仅(jǐn)具(jù)备(bèi)高(gāo)透(tòu)明(míng)度(dù)和(hé)良(liáng)好(hǎo)的(de)色(sè)彩(cǎi)还(hái)原(yuán)度(dù)，还(hái)能(néng)大(dà)幅(fú)减(jiǎn)少(shǎo)光(guāng)伏(fú)材(cái)料(liào)的(de)使(shǐ)用(yòng)量(liàng)，降(jiàng)低(dī)制(zhì)造(zào)和(hé)维(wéi)护(hù)成(chéng)本(běn)。该(gāi)技(jì)术(shù)在(zài)未(wèi)来有望与高层建(jiàn)筑(zhù)外(wài)立(lì)面(miàn)、温(wēn)室(shì)设(shè)施(shī)及(jí)智(zhì)能(néng)玻(bō)璃(lí)系(xì)统(tǒng)结(jié)合(hé)，为(wèi)城(chéng)市(shì)提(tí)供(gōng)新(xīn)的(de)分(fēn)布(bù)式(shì)能(néng)源(yuán)解(jiě)决(jué)方(fāng)案(àn)。

参(cān)考(kǎo)文献(xiàn)：

[1] Zhang, Dewei, et al. "Colorless and unidirectional diffractive-type solar concentrators compatible with existing windows." PhotoniX 6.1 (2025): 20.

[2] Aghajari, H. Asadi, et al. "Analyzing complexities of integrating Renewable Energy Sources into Smart Grid: A comprehensive review." Applied Energy 383 (2025): 125317.

[3] Traverse, Christopher J., et al. "Emergence of highly transparent photovoltaics for distributed applications." Nature Energy 2.11 (2017): 849-860.

[4] Marchini, Francesco, et al. "Development of an innovative translucent–photoluminescent coating for smart windows applications: An experimental and numerical investigation." Renewable and Sustainable Energy Reviews 184 (2023): 113530.

[5] Nayak, Pabitra K., et al. "Photovoltaic solar cell technologies: analysing the state of the art." Nature Reviews Materials 4.4 (2019): 269-285.

策划制作

作者丨杨 超 深圳理工大学 博士

审核丨李学杨 南洋理工大学