俞书宏院士团队，首篇顶刊Watt！
全球变暖持续推高建筑冷热负荷，暖通能耗激增与减排目标的矛盾日益凸显，迫切需要从建筑围护结构入手降低基础热负荷。窗户作为太阳辐射输入与室内外热量交换的关键通道，直接影响建筑采光、热舒适和空调负荷。针对建筑窗户光热传输的主动调控需求，电致变色智能窗（ECW）凭借动态调节太阳光谱透射率，理论上可降低建筑能耗约40%；然而，传统ECW的运行仍然依赖外部供电，这种以能换能的模式产生的额外电耗，严重影响了其实际的净节能效益。将光伏（PV）与电致变色智能窗（ECW）集成可实现自供电运行，从而克服对外部电源的依赖。然而，现有集成方案仍面临技术妥协：外置或边缘集成设计导致光伏活性区域严重受限；而垂直集成的半透明钙钛矿器件，又因材料固有着色牺牲了初始透过率，难以保障视觉舒适度。因此，开发兼具高初始透过率与宽光谱调控的深度集成自供电智能窗，仍是当前该领域亟待突破的核心瓶颈。近期，俞书宏院士和王金龙助理教授团队在Watt期刊发表题为“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电极”策略，将透明钙钛矿太阳能电池与电致变色器件无缝耦合，构建了一种新型的自供电电致变色智能窗。该技术的核心亮点包括：智能窗在低辐照或寒冷环境下保持86.8%的高透光率，确保室内自然采光；在强太阳辐照条件下，通过吸收紫外光发电自驱动电致变色，实现对太阳辐射的有效阻隔。智能窗可随外界太阳辐照强度和气候条件变化，自主匹配并调节至适宜的光学调制状态，实现按需响应的动态光热管理。同时，智能窗还表现出优异的光谱调控能力，在640nm处可见光调制幅度达43%，在1100nm处近红外调制幅度达57%，兼顾采光控制与隔热性能。实验与模拟双重验证表明：智能窗兼具优异的降温性能、突出的净节能价值及广泛的节能普适性，为绿色建筑提供了可靠的技术方案。如图1所示，PSC-ECW器件通过巧妙集成了负责紫外光收集的宽带隙MAPbCl3光伏模块与负责光谱调制的W18O49电致变色模块，实现了高效的自供电光热管理。在着色阶段，外部的光伏模块将吸收的高能紫外光子转化为电能并建立驱动电场，促使凝胶电解质中的H+离子注入原本透明的W18O49纳米线薄膜中，生成蓝色的HXW18O49，从而实现对可见光与近红外光的动态调制。在漂白阶段，通过短路外部电路诱导电子的自发复合以消除内部电场，促使H+离子重新脱出并返回电解质中，使器件可逆地恢复至初始的无色透明状态。图2. 集成PSC-ECW器件的结构设计和光学特性。a，八层W18O49 NW薄膜的SEM图像。b，glass/ITO/c,m-TiO2/MAPbCl3/Spiro-OMeTAD/ITO太阳能电池器件的截面SEM图像。c，1个太阳光条件下集成装置PSC的J-V曲线。d，除去ITO背景后，PSC-ECW器件在有色/漂白状态下的光学照片和透射光谱。e，集成器件在有色/漂白状态下的太阳辐照光谱。f，PSC-ECW器件在不同温度下有色/漂白状态的透射光谱。g，循环稳定性测量，记录640 nm/1100 nm处显色和漂白状态下100次循环的透光率变化。h，集成太阳能电池电致变色器件性能比较。图2展示了集成器件的结构与各项光学性能。本研究通过溶剂热法制备W18O49纳米线，并利用LB膜技术将其组装为电致变色电极，同时采用多步旋涂和改良离子交换法制备以宽带隙MAPbCl3为光敏层的高透明钙钛矿太阳能电池，最终构建了集成式自驱动PSC-ECW智能窗器件。在器件中，PSC负责吸收紫外光并产生光电压和光电流，以驱动W18O49电致变色层实现透明态与着色态之间的可逆转换。通过控制W18O49纳米线层数为8层，使器件在保持86.8%高平均可见光透过率的同时，表现出优异的可见光和近红外光调制能力，在640nm和1100nm处的透过率调制幅度最高分别达到43%和57%，着色态下可阻挡66.3%的太阳辐射，展现出良好的光热管理潜力。此外，器件在80°C高温下仍能保持超过90%的光调制能力，经过100次连续循环后调制率仍保持约80%，说明其具备较好的热稳定性和循环可靠性。与已有集成太阳能电池-电致变色器件相比，本PSC-ECW器件在光学性能方面展现出优势，尤其是在高可见光透过率、宽光谱调制能力和近红外阻隔效果方面表现突出；尽管其能量转换效率相对有限，但这种以强化光学调控为核心的设计更符合智能窗对采光、遮阳和热管理的实际需求，因此具有更高的应用价值。图3. PSC驱动的ECW太阳调制性能。a，PSC供电ECW的等效电路图。b，在PSC提供能量条件下，不同W18O49薄膜层ECW的原位透射光谱。c，在PSC提供能量条件下，不同W18O49薄膜层ECW在640nm处的调制率。d，不同老化时间PSC-ECW的动态透射比响应（在640 nm下监测）。e，在0-1.0个太阳光照下，PSC供电的ECW的透射光谱。f，在0-1.0个太阳光照下，PSC供电的ECW的640nm处的调制率。g，在640 nm处监测的响应时间曲线。h，PSC供电ECW在光照和黑暗条件下的动态透射率变化。图3验证了PSC驱动的ECW在太阳能驱动下的光调制能力、环境稳定性和自适应响应特性。该系统成功实现了由紫外光驱动的自适应光谱调制。实验表明，随着W18O49纳米线层数的增加，器件的光调制能力稳步提升，且PSC产生的电能可以达到与独立电源驱动相当的调制水平。在稳定性方面，该器件在真实环境测试中展现出卓越的耐受性，在936小时内输出电压仅轻微下降8%，确保长时间稳定供电。该系统具有自适应特性，其输出电压随入射光强（0.2至1个太阳光）动态调节，驱动光调制率实现从3.8%到34.9%的阶梯式增长，从而在不同光照条件下实现自动的光学管理。尽管受限于内部阻抗使得响应时间（着色68s，漂白36s）略慢于独立器件，但仍在实际应用可接受范围内，不影响其功能实现。其在实际气象条件下的表现极具实用价值：在多云时保持86%的高透光率，晴天则自发切换至47%的遮蔽态，且在长期运行中电压始终维持在工作阈值之上，充分证明了其作为全天候智能窗的可靠性。图4.PSC-ECW的温度调节性能。a，PSC-ECW的两种运行模式及工作原理示意图。b，室内降温性能的实验装置示意图。c，在100mW cm-2模拟太阳辐照下，配备PSC-ECW的模型测试腔与商用玻璃的温度变化。d，红外摄像机实时监测中心黑体温度的图像。e，在100mW cm-2模拟太阳辐照下，配备PSC-ECW与商用玻璃的腔室内室温（T-R）、最高黑体温度（T-BM）和平均黑体温度（T-BA）的比较。f，户外实验装置及环境天气状况的照片。g，h，实际环境下，配备PSC-ECW与商用玻璃窗的腔室内温度变化曲线与平均温度对比。图4验证了PSC-ECW在模拟太阳光和真实户外环境下的温度调节能力。PSC-ECW具备自适应控温能力，可随环境光强自动在透光采光与着色隔热之间切换。模拟太阳光测试表明，在100mW cm-2氙灯照射20min后，商业玻璃模型的室内空气温度和黑体温度分别升至61.6℃和65.9℃；而采用 PSC-ECW 后，闭路工作状态下两者分别降至51.5℃和55.4℃，体现出明显的隔热降温效果。户外白天实测进一步验证，上午光照较弱时器件维持漂白态，午间随辐照增强自动切换至有色态以遮挡可见光和近红外光，最大实现11.9°C的降温，之后又随光强减弱恢复透明。统计分析显示，主要工作时段内平均室内温度较商用玻璃分别降低3.5°C（开路）和8.8°C（闭路），且连续多日的户外测试表明其在不同天气条件下均具有良好的再现性与稳定的自适应切换能力。图5. PSC-ECW节能模拟。a，b，晴天与多云条件下的智能窗设计图。c，在深圳气候条件下，全年12个月将PSC-ECW应用于建筑天窗的能耗情况及相应的CO2减排量。d，选取来自不同气候区的6个代表性城市评估将PSC-ECW应用于建筑天窗的节能效果。e，配备PSC-ECW建筑模型的全球节能分布图。图5通过建筑能耗模拟评估了PSC-ECW的节能潜力。全尺寸建筑模型的模拟结果显示，在深圳这样典型的高能耗城市中，该智能窗相较商用玻璃每年可实现145.9MJ m-2的节能效果（相当于每年每平方米减少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对整体能耗的影响可忽略不计。从全球范围的六大代表性城市评估来看，PSC-ECW在热带地区年节能率超过30%，温带地区亦高于10%，其中印度印多尔年节能高达293.4MJ m-2；全球模拟结果呈现明显的地理分布规律，即低纬度高日照地区节能效果最为突出，但在高纬度地区仍保有可观收益。本文开发了一种通过垂直集成工艺制备的一体式自供电PSC-ECW智能窗。该器件利用太阳光紫外波段发电，驱动电致变色层动态调控可见与近红外光透过，实现了无外接电源的自适应光热管理。该器件不仅具备宽域的温度/透过率调节范围及良好的循环稳定性，其架构更具有普适性，可拓展至多种电致变色体系以实现按需调控。进一步，通过优化钙钛矿、电荷传输层以及电极层的界面匹配，以降低电压损失提升光伏输出来改善器件光伏调制性能，将有望推动该智能窗在零碳建筑中的应用推广。