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【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(rì)午(wǔ)后(hòu)，你(nǐ)收(shōu)否(fǒu)有(yǒu)过(guò)这(zhè)样(yàng)的(de)想(xiǎng)法(fǎ)，如(rú)果(guǒ)将(jiāng)透(tòu)过(guò)窗(chuāng)户(hù)刺(cì)眼(yǎn)的(de)阳(yáng)光(guāng)直(zhí)接(jiē)转(zhuǎn)化(huà)为(wèi)电(diàn)能(néng)，是(shì)否(fǒu)能(néng)让(ràng)建(jiàn)筑(zhù)本(běn)身(shēn)也(yě)参(cān)与(yǔ)发(fā)电(diàn)？在(zài)全球(qiú)能(néng)源(yuán)结(jié)构(gòu)加(jiā)速(sù)转(zhuǎn)型(xíng)的(de)背(bèi)景(jǐng)下(xià)，建(jiàn)筑(zhù)物(wù)成(chéng)为(wèi)最(zuì)具(jù)潜(qián)力(lì)的(de)能(néng)源(yuán)利(lì)用(yòng)场(chǎng)所(suǒ)之(zhī)一(yī)。高(gāo)层(céng)建(jiàn)筑(zhù)的(de)外(wài)墙(qiáng)大(dà)多(duō)由(yóu)大(dà)面(miàn)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、城市能源利用方面的巨大潜力。

发表在《PhotoniX》关于玻璃表面光伏发电的研究（图片来源：参考文献[1]）

为什么窗户发电一直很难

在建筑节能技术的发展中，如何将光伏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而言，这种光线衰减难以接受。

其次是能量转换效率低。透明光伏材料虽然能透光，但吸收太阳能的效率往往不足，仅能利用约20%的入射光能，远低于传统屋顶光伏组件的性能。这意味着窗户在发电与采光之间始终难以取得平衡。

第三是制造与安装成本高。现有光伏窗需要在生产阶段将电池层与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(kě)见(jiàn)光(guāng)波(bō)段(duàn)（400–750纳(nà)米(mǐ)），从(cóng)而(ér)实(shí)现(xiàn)对(duì)宽(kuān)谱(pǔ)太(tài)阳(yáng)光(guāng)的(de)有(yǒu)效(xiào)引(yǐn)导(dǎo)。

基(jī)于(yú)CLC层(céng)镀(dù)膜(mó)建(jiàn)筑(zhù)玻(bō)璃(lí)圆(yuán)偏(piān)振(zhèn)分(fēn)光(guāng)的(de)概(gài)念(niàn)图(tú)（图(tú)片(piàn)来(lái)源(yuán)：参(cān)考(kǎo)文献(xiàn)[1]）

当(dāng)阳(yáng)光(guāng)照(zhào)射(shè)到(dào)涂(tu)层(céng)上(shàng)时(shí)，部(bù)分(fēn)光(guāng)被(bèi)反(fǎn)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 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(zì)南(nán)京(jīng)大(dà)学(xué)的(de)研(yán)究(jiū)，为(wèi)建(jiàn)筑(zhù)能(néng)源(yuán)利(lì)用(yòng)提(tí)供(gōng)了(le)一(yī)种(zhǒng)全新(xīn)的(de)技(jì)术(shù)路径。通过在普通玻璃表面涂(tu)覆(fù)多(duō)层(céng)胆(dǎn)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(cóng)而(ér)在(zài)不(bù)影(yǐng)响(xiǎng)透(tòu)光(guāng)和(hé)视(shì)野(yě)的(de)前(qián)提(tí)下(xià)，将(jiāng)窗(chuāng)户(hù)转(zhuǎn)化(huà)为(wèi)稳(wěn)定(dìng)的(de)太(tài)阳(yáng)能(néng)采集装(zhuāng)置(zhì)。

与(yǔ)传(chuán)统(tǒng)光(guāng)伏(fú)窗(chuāng)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)度和良好的色彩还原度，还能大幅减少光伏材料的使用量，降低制造和维护成本。该技术在未来有望与高层建筑外立面、温室设施及智能玻璃系统结合，为城市提供新的分布式能源解决方案。

参考文献：

[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