黄维院士&秦天石 Nature子刊：智能窗户最新成果！

【背景介绍】

自Bechinger等人报道了基于液体染料敏化太阳能电池（DSSCs）的原始光电致变色器件（PECDs）以来，自驱动智能窗户的发展已经持续了25年。Wu等人报道了首次将DSSCs的光伏（PV）和电致变色（EC）特征结合在分离电极结构中的光电致变色器件（PVCDs），该突破将光伏技术扩展到有机光伏（OPV）、钙钛矿太阳能电池（PSC）等所有固态候选材料。然而，对比液体PECDs，将固体PVCDs集成到建筑围护结构中面临更多挑战。从分离的不透明PV和EC器件的外部连接开始，这些系统并不是真正的单体结构器件，简单而言，只是缩短了从光伏发电机到终端电气设备的电力传输距离，对于构建集成应用而言过于繁琐。此外，不透明或半透明的PV组件不能作为非活性区域变色，限制了其作为理想智能窗户需要100%活性覆盖。因此垂直串联架构被认为是最先进的集成策略。鉴于此，最近通过两种途径将半透明特性应用于串联结构PVCD：（1）在本质上不透明的PV层上物理减小厚度或图案化空隙窗户导致低原始透射率（T%）和低对比度在PVCD中；（2）化学加宽PV材料的光学带隙以仅吸收部分可见波长导致不舒服的视觉环境和较差的显色指数（CRI）。

【成果简介】

近日，南京工业大学秦天石教授和西北工业大学黄维院士（共同通讯作者）等人报道了一种简便的全溶液处理技术，以实现具有高原始T%和优异CRI的全透明钙钛矿PV层。基于此，作者制备了一种光电致变色器件，该器件在垂直串联结构中结合了可见透明钙钛矿PV层和基于离子凝胶的电致变色组件，无需任何中间电极。最重要的是，通过精确调整卤化物交换周期，该光伏变色组件可以实现高达76%的高原始透光率。此外，它还具有出色的显色指数，达到了96，对平均可见光透射率（400-780 nm）的宽对比度（>30％），以及自适应透射率调节和根据不同太阳辐照度自动控制室内亮度和温度。研究成果以题为“Full-frame and high-contrast smart windows from halide-exchanged perovskites”发布在国际著名期刊Nature Communications上。

【图文解读】

图一、PVCDs结构的演变和钙钛矿薄膜的表征
（a）四端并排式PV-EC器件架构：PV元件的两端和EC元件的两端通过两个外圆连接；

（b）1-step MAPbCl₃、MAPbBr₃和2-step MAPbCl₃薄膜的照片和SEM图像；

（c）1-step MAPbCl₃、MAPbBr₃和2-step MAPbCl₃薄膜的透射光谱；

（d）1-step MAPbCl₃、MAPbBr₃和2-step MAPbCl₃薄膜的X射线衍射图。

图二、PV组件从半透明到全透明的表征分析及单片PVCD工作机制
（a）卤化物扩散周期为0、1、5、10和15 min的钙钛矿的Tauc图；

（b）原始MAPbBr₃和MAPbBr_xCl_3-x钙钛矿的2D-GIWAXS图案，卤化物交换时间为1、5和10 min；

（c）不同卤化物扩散周期处理的Spiro-PT和MAPbBr_xCl_3-x的价带水平；

（d）ToF-SIMS深度剖面显示基于卤化物交换的MAPbBr_xCl_3-x钙钛矿的PV半模块中所选物种的浓度；

（e）在深度剖面中追踪的负离子的重建元素3D图；

（f）单片PVCD的横截面SEM图像为玻璃/FTO/PV/EC/FTO/玻璃器件结构；

（g）整体PVCD的能级示意图。

图三、基于全透明光伏的太阳能适应性单片PVCD的光电性能
（a）在0.1到1.0 sun的不同阳光强度下，600 nm处的实时透射（T%-t）趋势；

（b-c）CIE 1976（u′, v′）坐标和不同日光强度下PVCD的照片；

（d）AM 1.5G照明下实时全波长（400-1000 nm）透射光谱的轮廓映射图；

（e）PVCD在BS和CS的轮廓和红外照片，用作参考的两个FTO玻璃基板；

（f）使用395 nm UV-LED 作为对照，BS和CS之间PVCD切换的可重复性。

图四、太阳能适应PVCD的工作原理
（a）太阳能适应PVCD的充电状态和放电状态电路图；

（b）不同日照强度下充电过程中，PVCD外电路的实时电流（I-t）趋势；

（c）对于不同日照强度充电的PVCD，充电过程完成后EC元件的电容（Q）；

（d）不同日照强度充电的PVCD放电过程中，外电路的实时电压（V-t）趋势。

【小结】

综上所述，作者首次将自调节阴离子交换策略应用于光电应用中，并成功地实现了一种有希望的性能提升。这种全透明单片智能窗不仅具有自供电、按需控制和基于太阳辐照度的自适应等优点，而且具有良好的可见光透明性和色彩中性、透光率和温度可调范围大、可重复使用等特点。此外，AVT的切换水平可以根据太阳辐射强度自动进行自适应，从而使智能窗户的大脑能够更智能地响应日出日落和真实天气。最重要的是，双端夹层玻璃-凝胶玻璃结构的完整解决方案可加工性可以为未来节能摩天大楼提供最简单的结构、可扩展的可生产性和建筑集成作为安全玻璃。

文献链接：Full-frame and high-contrast smart windows from halide-exchanged perovskites. Nat. Commun., 2021, DOI: 10.1038/s41467-021-23701-z.

本文由CQR编译。

欢迎大家到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱：tougao@cailiaoren.com.

投稿以及内容合作可加编辑微信：cailiaokefu.