摘要：随着城市立体化发展，高层建筑数量不断攀升，建筑能耗持续增加，对分布式清洁能源的需求愈发迫切。建筑光伏一体化（BIPV）能够在建筑表面直接发电，其中玻璃作为常见外立面材料，是光伏集成的理想载体。然而，现有光伏组件多为不透明或易碎材质，难以同时满足采光与建筑玻璃的
随着城市立体化发展，高层建筑数量不断攀升，建筑能耗持续增加，对分布式清洁能源的需求愈发迫切。建筑光伏一体化（BIPV）能够在建筑表面直接发电，其中玻璃作为常见外立面材料，是光伏集成的理想载体。然而，现有光伏组件多为不透明或易碎材质，难以同时满足采光与建筑玻璃的机械性能需求。
另一方面，用透明太阳能电池替换现有窗户，使得现有建筑的改造变得困难且昂贵。
近日，PhotoniX 报道了南京大学胡伟教授、陆延青教授团队的研究进展，相关工作“Colorless and unidirectional diffractive-type solar concentrators compatible with existing windows.”PhotoniX 6, 20 (2025)解决了现有聚光器在色偏、雾度及集成度等方面所遇到的挑战。
该工作基于胆甾相液晶的手性光子晶体结构设计，提出一种无色偏的定向太阳能聚光膜，实现了对特定圆偏振光的选择性反射并在玻璃内部形成波导将光能导向一侧边界，同时保留高透光率与出色的色度特性。通过多层不同螺距的薄膜堆叠扩展了反射带宽，结合亚波长周期渐变取向实现了广角的定向导光，显著提升了聚光效率。该聚光膜具备良好的透明性，可直接涂覆于现有建筑玻璃表面，无需更改结构或大面积光伏铺设，具有良好的兼容性与成本优势，为建筑光伏一体化提供了一条新的切实可行的路径。
该工作利用晶萃光学JCOPTIX提供的532 nm波长相干连续波激光器, 结合偏振检测仪器对不同圆偏振光进行分类。
侧边采集型聚光器通过波导将光引至玻璃边缘进行收集发电，为BIPV提供了可行路径。但现有的荧光型和散射型聚光器仍面临着导光效率低、色偏严重、结构复杂等难题——发光型方案（Nat. Photonics 12, 105, 2018；Nat. Energy 4, 197, 2019）因全向发射而损耗较为严重，散射型方案（Nat. Commun. 16, 2085, 2025）则受制于雾度与色偏，难以兼顾建筑玻璃高透明度和美观性的需求。
液晶显示作为当今平板显示的主流技术，充分证明了液晶材料的可加工性与大面积应用潜力。近期，基于胆甾相液晶（CLC）的偏振体光栅波导在增强现实显示中展现出优异的导光能力与圆偏振选择特性，这启发了其在太阳能采集中的新应用。基于这一思路，本研究首次将CLC光波导引入建筑玻璃，设计出可大面积涂覆的无色单向衍射型太阳能聚光器（CUSC）。该设计兼具高透明度、宽带导光性与结构兼容性，打破了传统聚光器在效率、美观与集成间的权衡。
太阳是地球最主要的能量来源，其能量以电磁波形式传播。光作为横波，其偏振特性决定了其与周期性光子结构的特殊相互作用方式。自然光本身是非偏振的，可视为左右旋圆偏振光的叠加。
胆甾相液晶（CLC）作为一维手性光子晶体，能够在光子带隙内选择性反射与其旋性一致的圆偏振光，而剩余部分则直接透过。通过叠加多层不同螺距的CLC薄膜，光子带隙扩展至几乎整个可见光范围，覆盖400–750 nm。在此基础上，进一步引入亚波长横向周期取向，使相应圆偏振分量在±60°广角范围内实现高效单向衍射与全内反射，显著提升了导光效率。
该功能薄膜可直接涂覆或转移至建筑玻璃，形成透明太阳能聚光膜。特定圆偏振光经选择性反射后，经由全内反射在玻璃内部定向传播，最终被放置于边缘的单晶硅光伏电池高效捕获并转化为电能。该方案在保有玻璃高透明度与美观性的同时，实现了高效光能利用和热能减量，助力建筑玻璃由“被动采光”向“主动发电”的功能跃迁。
图1. CUSC设计原理。 a 左：南京紫峰大厦全景图；右：多螺距CLC层涂覆建筑玻璃构成光伏集成透明窗。b 在AM 1.5G照射下，CUSC表现出宽带半透半反特性
CUSC的光学性能
研究团队设计并制备了一种带倾斜 Bragg 面的多层胆甾相液晶（CLC）膜，利用圆偏振全息曝光技术实现横向周期 460 nm 的亚波长光栅取向层。该结构不仅具备宽带圆偏振选择性反射，还能在 ±60° 范围内实现高效光导引。膜厚仅 7.5 μm，可直接涂覆于建筑玻璃，呈无色透明、无雾感外观。在 532 nm 激光测试中，该膜可将 38.1% 入射能量引导至玻璃边缘输出，并表现出显著的圆偏振分离能力。全光谱（400–800 nm）透过率高达 64.2%，色度品质高，CIELAB 色差处于建筑玻璃可接受范围内。该设计兼顾广角导光与视觉美感，为建筑光伏一体化提供了色彩中性且高度兼容的聚光新方案。
图2. CUSC结构与光学特性。a–c. 多层CLC制备示意及结构图；d. 实拍图展示透明无色；e. 偏振分光；f–g. 广角透光，低色差
CUSC的定向波导
在白光正面照射下，CUSC器件可将光不对称地引导至建筑玻璃的单侧边缘，亚波长周期光栅结构引发色散效应。实拍图清晰呈现出玻璃边缘明亮的导光现象，同时南京大学校徽清晰可见，表明器件在实现聚光功能的同时保持高透过率与无色外观。仿真结果显示，CLC多层结构内部的倾斜Bragg面角度由邻近玻璃的一侧的21°逐渐变化至30°，不同螺距的CLC层对不同波长光进行选择性反射，并在满足全内反射条件下，沿玻璃内部单向导光并汇聚至边缘。进一步模拟表明，该单向导光机制在±40°广角范围内均具备高效导光能力，在广角日照条件下仍表现出优异的聚光性能，验证了该CUSC在建筑环境中的稳定性和工程可行性。
图3. CUSC的定向导光。a 白光单向导入玻璃边缘；b–d 模拟验证圆偏振选择性反射与广角宽带波导传输
CUSC的光伏性能与稳定性
在边缘集成 0.5 × 4 cm² 硅电池的 1 英寸 CUSC 原型中，自然光下可驱动 10 mW 风扇，AM1.5G 条件下实现短路电流密度 7.0 mA/cm²、光学效率 18.1% 和功率转换效率（PCE）3.7%。全天实测 PCE 稳定高于 2.7%，室内白光老化 1500 小时后仍保持 95.4% 初始效率。该膜可涂覆或转印于玻璃内侧，仅在边缘安装光伏电池，较比现有荧光型和散射型太阳能聚光器可减少 75% 光伏电池用量，同时保持透明、美观和易于集成的优势。
图4. CUSC的光伏性能与稳定性。a. 自然光驱动风扇；b–c. 光电转化性能测试；d–e.全天与长期稳定性；f. 性能与现有方案比较。
本文提出一种无色单向太阳能聚光膜设计，通过多螺距CLC薄膜堆叠与亚波长横向周期取向，实现了自然光中特定圆偏振的宽带选择性反射与广角单向导光。该器件兼具高透明度（AVT 64.2%）、高显色性（CRI 91.3%）与高效聚光能力，在保持建筑玻璃美感的同时提升光伏集成效率。1英寸原型可在自然光下驱动10 mW风扇，直观展示了其实用潜力。未来可在CLC结构参数优化、左右手性融合设计及卷对卷图案化制备等方面进一步拓展，并解决紫外老化与偏振泄漏等问题。
未来展望
当前 1 英寸（约 2.54 厘米）原型机已实现户外阳光下驱动 10 毫瓦风扇，验证了技术的实用基础，未来随着技术迭代与规模落地，其将在多维度释放价值，成为建筑能源转型与 “双碳” 目标推进的关键支撑。
从应用范围看，技术将突破现有建筑场景局限，实现多领域延伸。在建筑领域，既适用于新建住宅、商业综合体等建筑的玻璃幕墙与门窗集成，也能直接涂覆于老旧建筑玻璃表面，无需拆改结构即可完成光伏改造，大幅降低既有建筑能源升级门槛；同时可拓展至交通枢纽、科技馆等大玻璃面积公共建筑，甚至有望应用于高铁车窗、房车观景窗等移动场景，挖掘分散式能源采集的新空间。
市场前景方面，技术契合全球碳中和与 BIPV 产业增长趋势，具备广阔商业化潜力。一方面，其 “无色透明、低成本涂覆” 的特性，解决了传统光伏组件与建筑美观性、采光需求的矛盾，能满足建筑师与业主对建筑外观的高要求，突破 BIPV 推广的核心痛点；另一方面，相比现有透明太阳能电池，该技术减少 75% 光伏电池用量，且兼容现有玻璃生产与建筑施工流程，可快速融入产业链，预计将在新建建筑光伏配套与既有建筑节能改造市场中占据重要份额，带动涂层材料、边缘光伏组件等上下游产业发展。
减碳潜力上，技术规模化应用将成为全球碳减排的重要抓手。全球建筑能耗占总能耗比重超 30%，若将该聚光膜应用于全球 10% 的建筑玻璃，结合边缘光伏电池发电，预计可实现太瓦级绿色电力供应，替代大量化石能源发电；按当前火电碳排放强度测算，每年可减少数十亿吨二氧化碳排放，同时其能降低建筑室内夏季光照吸热，间接减少空调能耗，形成 “发电 + 节能” 双重减碳效应，为人类社会实现可持续发展目标提供切实可行的技术路径。
论文信息：Colorless and unidirectional diffractive-type solar concentrators compatible with existing windows
文章链接：https://doi.org/10.1186/s43074-025-00178-3
素材来源：南京晶萃光学
来源：友绿