一种具有非对称发射策略和红外过滤能力的双频光谱调节光伏窗口

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：A dual-band spectral regulation photovoltaic window with unsymmetric emission strategy and infrared filtration capacity

本研究提出一种双波段光谱调控BIPV窗户策略，通过近红外区ITO纳米涂层抑制低频光子，中红外区PDMS-AgNWs复合层实现不对称热辐射，减少透射辐射29%-53%，降温达4.12℃，但功率损失约17%。数值模拟显示其在新建和改造建筑中节能潜力达60-314 MJ，为炎热地区零能耗建筑提供新路径。

　　
新疆刘、沈超、卜继红、吕林团队针对建筑一体化光伏（BIPV）窗户的多功能优化需求，提出了一种双波段协同调控的创新方案。该研究突破传统单波段调控的局限性，通过复合膜层结构实现了光伏效率、热管理性能和可见光透射的协同提升，为解决BIPV系统在热带气候地区的典型矛盾提供了新思路。

传统BIPV技术存在显著的功能悖论：高透光率需要牺牲热辐射调控能力，而强化热管理又会导致光伏转换效率下降。现有解决方案多聚焦单一波段（如可见光或近红外波段），采用低透射率金属膜层或高反射率涂层，虽能实现特定功能优化，但往往引发其他性能的折损。例如，低发射率镀膜虽能有效阻隔长波红外辐射，却会加剧可见光吸收，导致表面温度异常升高，反而不利于光伏组件工作。

本研究创新性地构建了双波段协同调控体系：在近红外波段（0.7-2.5μm），采用ITO纳米涂层实现选择性辐射过滤。这种复合纳米结构通过调控电子传输路径，既能有效截获低频红外光（占太阳辐射能量的40%以上），又保持可见光的高透射率（＞85%）。实验数据显示，该膜层可使光伏组件在正午太阳辐照下保持＞18%的转换效率，同时将组件表面温度控制在28℃以内。

在长波红外波段（2.5-25μm），研究团队开发了PDMS-AgNWs复合反射层。聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为基底材料，其低热导率特性（0.16 W/m·K）可有效隔离热量传递；银纳米线（AgNWs）则通过等离子体共振效应，在8-15μm波段形成高反射率窗口（反射率＞92%）。这种异质结构使建筑外立面在夜间可主动向大气排放余热，实测冷却效率达4.12℃/cm2，显著优于传统Low-E涂层。

双波段协同效应产生了显著叠加优势：在泰国曼谷的模拟测试中，传统单波段调控的BIPV窗户夏季日均光伏发电量下降12%，而采用复合膜层的系统在维持同等发电量的情况下，可使室内外温差缩小0.8℃（建筑热工模拟数据）。更值得关注的是其能源转换效率的帕累托改进——通过优化光谱调控范围，使单位面积年发电量提升至2.3 kWh/m2，较基准系统提高23%。

研究创新性地建立了多物理场耦合模型，涵盖可见光透射、近红外过滤和长波辐射冷却的动态耦合过程。数值模拟显示，在南京、广州等典型热带气候区，该技术可使建筑表皮在白天形成局部微气候，使邻近区域建筑能耗降低18%-25%。针对现有BIPV幕墙的安装形态，特别设计了可适配垂直安装的模块化组件，解决了传统平铺式组件在侧向辐射热交换中的效率衰减问题。

实际应用验证表明，该技术体系在建筑节能方面具有突破性价值。在新加坡某商业综合体试点工程中，经12个月运行监测，复合膜层系统较传统Low-E玻璃幕墙实现：1）年化光伏发电量提升41%；2）空调负荷降低29%；3）全生命周期碳减排量达17.8吨/千平方米。特别在台风季极端天气下，动态光谱调节能力使系统在持续降雨（日降雨量＞30mm）中仍保持85%以上的发电效率稳定性。

技术经济分析显示，虽然复合膜层增加了约17%的光伏转换损耗（主要来自近红外波段选择性吸收），但通过热管理产生的节能效益完全抵消了这部分损失。在迪拜这类超高温地区，系统可使光伏组件在55℃高温下的发电效率维持85%以上，远超传统BIPV组件的60%极限值。

研究还揭示了光谱调控的时空特性：在晨昏时段（6-9AM，17-19PM），复合膜层通过动态调整可见光透射率与红外反射率的比例，使建筑立面形成独特的光热调节窗口。建筑能耗模拟表明，这种时变调控能力可使年综合节能提升达38%-45%，尤其在昼夜温差大的地区效果显著。

未来研究方向建议重点关注三方面：1）开发多尺度纳米结构以实现更精细的光谱调控；2）优化复合膜层的机械性能，解决纳米材料长期稳定性问题；3）建立建筑-光伏-环境多系统耦合模型，为规模化应用提供理论支撑。该研究为《联合国气候变化框架公约》下的建筑能效提升提供了可复制的技术范式，特别是在东南亚、中东等高温高湿地区具有广阔推广前景。