近日，PhotoniX 報(bào)道了南京大學(xué)胡偉教授、陸延青教授團(tuán)隊(duì)的研究進(jìn)展，相關(guān)工作“Colorless and unidirectional diffractive-type solar concentrators compatible with existing windows.” PhotoniX 6, 20 (2025)解決了現(xiàn)有聚光器在色偏、霧度及集成度等方面所遇到的挑戰(zhàn)。該工作基于膽甾相液晶的手性光子晶體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提出一種無(wú)色偏的定向太陽(yáng)能聚光膜，實(shí)現(xiàn)了對(duì)特定圓偏振光的選擇性反射并在玻璃內(nèi)部形成波導(dǎo)將光能導(dǎo)向一側(cè)邊界，同時(shí)保留高透光率與出色的色度特性。通過(guò)多層不同螺距的薄膜堆疊擴(kuò)展了反射帶寬，結(jié)合亞波長(zhǎng)周期漸變?nèi)∠驅(qū)崿F(xiàn)了廣角的定向?qū)Ч?，顯著提升了聚光效率。該聚光膜具備良好的透明性，可直接涂覆于現(xiàn)有建筑玻璃表面，無(wú)需更改結(jié)構(gòu)或大面積光伏鋪設(shè)，具有良好的兼容性與成本優(yōu)勢(shì)，為建筑光伏一體化提供了切實(shí)可行的路徑。

該工作利用晶萃光學(xué)JCOPTIX提供的532 nm波長(zhǎng)相干連續(xù)波激光器, 結(jié)合偏振檢測(cè)儀器對(duì)不同圓偏振光進(jìn)行分類。

隨著城市立體化發(fā)展，高層建筑數(shù)量不斷攀升，建筑能耗持續(xù)增加，對(duì)分布式清潔能源的需求愈發(fā)迫切。建筑光伏一體化（BIPV）能夠在建筑表面直接發(fā)電，其中玻璃作為常見(jiàn)外立面材料，是光伏集成的理想載體。然而，現(xiàn)有光伏組件多為不透明或易碎材質(zhì)，難以同時(shí)滿足采光與建筑玻璃的機(jī)械性能需求。

側(cè)邊采集型聚光器通過(guò)波導(dǎo)將光引至玻璃邊緣進(jìn)行收集發(fā)電，為BIPV提供了可行路徑。但現(xiàn)有的熒光型和散射型聚光器仍面臨著導(dǎo)光效率低、色偏嚴(yán)重、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等難題——發(fā)光型方案（Nat. Photonics 12, 105, 2018；Nat. Energy 4, 197, 2019）因全向發(fā)射而損耗較為嚴(yán)重，散射型方案（Nat. Commun. 16, 2085, 2025）則受制于霧度與色偏，難以兼顧建筑玻璃高透明度和美觀性的需求。 液晶顯示作為當(dāng)今平板顯示的主流技術(shù)，充分證明了液晶材料的可加工性與大面積應(yīng)用潛力。近期，基于膽甾相液晶（CLC）的偏振體光柵波導(dǎo)在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示中展現(xiàn)出優(yōu)異的導(dǎo)光能力與圓偏振選擇特性，這啟發(fā)了其在太陽(yáng)能采集中的新應(yīng)用?；谶@一思路，本研究首次將CLC光波導(dǎo)引入建筑玻璃，設(shè)計(jì)出可大面積涂覆的無(wú)色單向衍射型太陽(yáng)能聚光器（CUSC）。該設(shè)計(jì)兼具高透明度、寬帶導(dǎo)光性與結(jié)構(gòu)兼容性，打破了傳統(tǒng)聚光器在效率、美觀與集成間的權(quán)衡，為綠色建筑提供了一條全新的可行路徑。

太陽(yáng)是地球最主要的能量來(lái)源，其能量以電磁波形式傳播。光作為橫波，其偏振特性決定了其與周期性光子結(jié)構(gòu)的特殊相互作用方式。自然光本身是非偏振的，可視為左右旋圓偏振光的疊加。膽甾相液晶（CLC）作為一維手性光子晶體，能夠在光子帶隙內(nèi)選擇性反射與其旋性一致的圓偏振光，而剩余部分則直接透過(guò)。通過(guò)疊加多層不同螺距的CLC薄膜，光子帶隙擴(kuò)展至幾乎整個(gè)可見(jiàn)光范圍，覆蓋400–750 nm。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步引入亞波長(zhǎng)橫向周期取向，使相應(yīng)圓偏振分量在±60°廣角范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效單向衍射與全內(nèi)反射，顯著提升了導(dǎo)光效率。該功能薄膜可直接涂覆或轉(zhuǎn)移至建筑玻璃，形成透明太陽(yáng)能聚光膜。特定圓偏振光經(jīng)選擇性反射后，經(jīng)由全內(nèi)反射在玻璃內(nèi)部定向傳播，最終被放置于邊緣的單晶硅光伏電池高效捕獲并轉(zhuǎn)化為電能。該方案在保有玻璃高透明度與美觀性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了高效光能利用和熱能減量，助力建筑玻璃由“被動(dòng)采光”向“主動(dòng)發(fā)電”的功能躍遷。

圖1. CUSC設(shè)計(jì)原理。 a 左：南京紫峰大廈全景圖；右：多螺距CLC層涂覆建筑玻璃構(gòu)成光伏集成透明窗。b 在AM 1.5G照射下，CUSC表現(xiàn)出寬帶半透半反特性

CUSC的光學(xué)性能

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制備了一種帶傾斜 Bragg 面的多層膽甾相液晶（CLC）膜，利用圓偏振全息曝光技術(shù)實(shí)現(xiàn)橫向周期 460 nm 的亞波長(zhǎng)光柵取向?qū)?。該結(jié)構(gòu)不僅具備寬帶圓偏振選擇性反射，還能在 ±60° 范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效光導(dǎo)引。膜厚僅 7.5 μm，可直接涂覆于建筑玻璃，呈無(wú)色透明、無(wú)霧感外觀。在 532 nm 激光測(cè)試中，該膜可將 38.1% 入射能量引導(dǎo)至玻璃邊緣輸出，并表現(xiàn)出顯著的圓偏振分離能力。全光譜（400–800 nm）透過(guò)率高達(dá) 64.2%，色度品質(zhì)高，CIELAB 色差處于建筑玻璃可接受范圍內(nèi)。該設(shè)計(jì)兼顧廣角導(dǎo)光與視覺(jué)美感，為建筑光伏一體化提供了色彩中性且高度兼容的聚光新方案。

圖2. CUSC結(jié)構(gòu)與光學(xué)特性。a–c. 多層CLC制備示意及結(jié)構(gòu)圖；d. 實(shí)拍圖展示透明無(wú)色；e. 偏振分光；f–g. 廣角透光，低色差

CUSC的定向波導(dǎo)

在白光正面照射下，CUSC器件可將光不對(duì)稱地引導(dǎo)至建筑玻璃的單側(cè)邊緣，亞波長(zhǎng)周期光柵結(jié)構(gòu)引發(fā)色散效應(yīng)。實(shí)拍圖清晰呈現(xiàn)出玻璃邊緣明亮的導(dǎo)光現(xiàn)象，同時(shí)南京大學(xué)校徽清晰可見(jiàn)，表明器件在實(shí)現(xiàn)聚光功能的同時(shí)保持高透過(guò)率與無(wú)色外觀。仿真結(jié)果顯示，CLC多層結(jié)構(gòu)內(nèi)部的傾斜Bragg面角度由鄰近玻璃的一側(cè)的21°逐漸變化至30°，不同螺距的CLC層對(duì)不同波長(zhǎng)光進(jìn)行選擇性反射，并在滿足全內(nèi)反射條件下，沿玻璃內(nèi)部單向?qū)Ч獠R聚至邊緣。進(jìn)一步模擬表明，該單向?qū)Ч鈾C(jī)制在±40°廣角范圍內(nèi)均具備高效導(dǎo)光能力，在廣角日照條件下仍表現(xiàn)出優(yōu)異的聚光性能，驗(yàn)證了該CUSC在建筑環(huán)境中的穩(wěn)定性和工程可行性。

圖3. CUSC的定向?qū)Ч狻 白光單向?qū)氩Ａн吘?；b–d 模擬驗(yàn)證圓偏振選擇性反射與廣角寬帶波導(dǎo)傳輸

CUSC的光伏性能與穩(wěn)定性

在邊緣集成 0.5 × 4 cm2 硅電池的 1 英寸 CUSC 原型中，自然光下可驅(qū)動(dòng) 10 mW 風(fēng)扇，AM1.5G 條件下實(shí)現(xiàn)短路電流密度 7.0 mA/cm2、光學(xué)效率 18.1% 和功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）3.7%。全天實(shí)測(cè) PCE 穩(wěn)定高于 2.7%，室內(nèi)白光老化 1500 小時(shí)后仍保持 95.4% 初始效率。該膜可涂覆或轉(zhuǎn)印于玻璃內(nèi)側(cè)，僅在邊緣安裝光伏電池，較比現(xiàn)有熒光型和散射型太陽(yáng)能聚光器可減少 75% 光伏電池用量，同時(shí)保持透明、美觀和易于集成的優(yōu)勢(shì)。

圖4. CUSC的光伏性能與穩(wěn)定性。a. 自然光驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇；b–c. 光電轉(zhuǎn)化性能測(cè)試；d–e.全天與長(zhǎng)期穩(wěn)定性；f. 性能與現(xiàn)有方案比較。

本文提出一種無(wú)色單向太陽(yáng)能聚光膜設(shè)計(jì)，通過(guò)多螺距CLC薄膜堆疊與亞波長(zhǎng)橫向周期取向，實(shí)現(xiàn)了自然光中特定圓偏振的寬帶選擇性反射與廣角單向?qū)Ч?。該器件兼具高透明度（AVT 64.2%）、高顯色性（CRI 91.3%）與高效聚光能力，在保持建筑玻璃美感的同時(shí)提升光伏集成效率。1英寸原型可在自然光下驅(qū)動(dòng)10?mW風(fēng)扇，直觀展示了其實(shí)用潛力。未來(lái)可在CLC結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化、左右手性融合設(shè)計(jì)及卷對(duì)卷圖案化制備等方面進(jìn)一步拓展，并解決紫外老化與偏振泄漏等問(wèn)題。該方案為綠色建筑與農(nóng)業(yè)光伏提供新路徑，助力社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

南京大學(xué)現(xiàn)代工學(xué)院2022屆博士生張德偉和2023屆博士生郭政昊為論文共同第一作者，胡偉教授和陸延青教授為共同通訊作者，博士后徐春庭和博士生李見(jiàn)卿對(duì)本工作有重要貢獻(xiàn)。該研究受國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)和江蘇省自然科學(xué)基金資助完成。

作者特別感謝南京晶萃光學(xué)科技有限公司（JCOPTIX）、南京寧萃光學(xué)科技有限公司（NCLCP）提供的光學(xué)元件與液晶材料支持。