智慧太陽能窗戶

■美國國家再生能源實驗室研發出平時是窗戶，照到太陽就變電池的新穎材料。

撰文｜方程毅

遇熱變色(Thermochromism)是一存在於某些材料的物理現象。材料在不同溫壓會以不同相(phase)存在，不同相的光學性質各有不同，遇熱變色的材料對光的穿透及反射率會因為溫度改變而跟著改變。美國國家再生能源實驗室(National Renewable Energy Laboratory,NREL)利用這個現象研發出一種智慧窗戶，窗戶本身為透明無色，但當太陽光照射使溫度上升時，表面的特殊塗料會變得不透明，且可以發電，能幫助調節建築物室內溫度及節能減碳。這項研究成果發表於《自然‧通訊》期刊 (Nature Communications) 上。

研究團隊使用的材料為鈣鈦礦結構的鉛鹵化物(Lead halide perovskites)，簡式為 APX₃(A通常為有機物或鹼金族、Pb為鉛、X為鹵化物)。鈣鈦礦結構常用於太陽能發電，我們曾在＜光可以治癒材料？＞一文中介紹。研究團隊所使用的化合物為(CH₃NH₃PbI₃•xCH₃NH₂)，這個化合物本身透明無色，之所以被拿來用於研發智慧窗戶是由於當太陽照射而導致其溫度上升時，xCH₃NH₂ 會從化合物分離，當 CH₃NH₂ 離開後，CH₃NH₃PbI₃ 變得不透光，不透光代表光被材料吸收，經過電學設計後，可以做為太陽能電池。

整個反應式為：

等號左邊透光，溫度升高反應往右邊走，等號右邊的化合物不透光。CH₃NH₃PbI₃•xCH₃NH₂ 的透光率大約為68%，跟一般玻璃 90% 左右的穿透度比還是略低；CH₃NH₃PbI₃ 穿透度只有 3%，做為太陽能電池其發電效率大約為11.3%，雖然數字上看起來很低，但即便市售矽晶太陽能電池效率也不超過 30%，以實驗室研發新型太陽能電池的標準來看，11.3% 已是非常好的成果。整個亮暗轉換過程少於3分鐘。研究團隊的實驗影片請點此。

論文作者 Lance Wheeler 表示：「例用遇熱變色的技術應用非常多，但並沒有人將這個現象用於發電。」「可變換的太陽能電池窗戶即是利用化合物分解的可逆反應做成。」雖然這項技術相當有趣且創新，但目前材料壽命僅能支撐20次左右的亮暗變化，要能進一步應用還需要更多的研究。

研究團隊也不只滿足於論文發表，去年他們參加了為期兩個月的 Energy I-Corps 計畫。這項計畫旨在連結業界與學界，為美國能源部(Department of Energy's Building Technologies Office)所舉辦，研究團隊會接受來自業界的指導，探索該項技術的潛在客戶及需求。Lance Wheeler 也表示這項科技將來可應用於車輛或建築物，發出的電能可以對手機或是機載電子設備，例如：風扇、降雨偵測或是開關窗戶的馬達等等進行充電。

原始論文：Moore, David T., Elisa M. Miller, Jeffrey L. Blackburn, Lance M. Wheeler, Nathan R. Neale, Noah J. Stanton, Rachelle Ihly, and Robert C. Tenent. "Switchable photovoltaic windows enabled by reversible photothermal complex dissociation from methylammonium lead iodide." Nature Communications 8, no. 1 (2017): 1722.

參考資料：

1. NREL Develops Switchable Solar Window
2. Energy I-Corps

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作者：方程毅 科教中心特約寫手，從事科普文章寫作。