Smarta fönster som är genomskinliga när det är mörkt eller svalt men som automatiskt mörknar när solen är för stark är allt populärare energisparande enheter. Men föreställ dig att när fönstret är mörkt, den producerar samtidigt elektricitet. Ett sådant material - ett solcellsglas som också är reversibelt termokromt - är en grön teknik som forskare länge har arbetat mot, och nu, forskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har visat ett sätt att få det att fungera.

Forskare vid Berkeley Lab, ett nationellt labb från Department of Energy (DOE), upptäckte att en form av perovskit, ett av de hetaste materialen inom solforskning för närvarande på grund av dess höga omvandlingseffektivitet, fungerar förvånansvärt bra som ett stabilt och fotoaktivt halvledarmaterial som kan växlas reversibelt mellan ett transparent tillstånd och ett icke-transparent tillstånd, utan att försämra dess elektroniska egenskaper.

Forskningen, leds av Peidong Yang från Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning, publicerades denna vecka i tidskriften Naturmaterial i en studie med titeln, "Termokromiska Halide Perovskite solceller." Huvudförfattarna var Jia Lin, Minliang Lai, och Letian Dou, alla i Yangs forskargrupp.

Forskarna gjorde upptäckten medan de undersökte materialets fasövergång, en oorganisk perovskit. "Denna klass av oorganisk halogenidperovskit har fantastisk fasövergångskemi, sa Yang, som också är professor vid UC Berkeleys avdelningar för kemi, och materialvetenskap och teknik. "Det kan i huvudsak ändras från en kristallstruktur till en annan när vi ändrar temperaturen något eller introducerar lite vattenånga."

När materialet ändrar sin kristallstruktur, det ändras från transparent till icke-transparent. "Dessa två tillstånd har exakt samma sammansättning men väldigt olika kristallstrukturer, " sa han. "Det var väldigt intressant för oss. Så du kan enkelt manipulera det på ett sådant sätt som inte är lättillgängligt i befintliga konventionella halvledare."

Halidperovskitmaterial är föreningar som har kristallstrukturen av mineralet perovskit. Dess unika egenskaper, höga effektivitetsgrader, och enkel bearbetning har gjort det till en av de mest lovande utvecklingarna inom solteknik under de senaste åren.

Forskare vid ett annat DOE-labb, National Renewable Energy Laboratory (NREL), nyligen gjort en relaterad upptäckt, med hjälp av en kemisk reaktion i en hybridperovskit för att demonstrera ett omkopplingsbart solfönster.

Berkeley Lab-forskarna hade ursprungligen inte för avsikt att utveckla ett termokromt solfönster. De undersökte fasövergångar i perovskitsolceller och försökte förbättra stabiliteten i den prototypiska organisk-oorganiska hybridperovskiten metylammonium blyjodid. Så de försökte använda cesium för att ersätta metylammonium.

"Den kemiska stabiliteten förbättrades dramatiskt, men tyvärr var fasen inte stabil, sa Dou, som var postdoktor och nu är biträdande professor vid Purdue University. "Det förvandlades till låg-T [temperatur]-fasen. Det var en nackdel, men sedan gjorde vi det till något som är unikt och användbart."

Materialet triggas till övergång från låg-T- till hög-T-fasen (eller från transparent till icke-transparent) genom att applicera värme. I labbet, temperaturen som krävdes var cirka 100 grader Celsius. Yang sa att de arbetar för att få ner den till 60 C.

Lin, en postdoktor i Berkeley Lab, sa fukt, eller fuktighet, användes i labbet för att utlösa den omvända övergången. "Mängden fukt som behövs beror på sammansättningen och den önskade övergångstiden, " sa han. "T.ex. mer bromid gör materialet mer stabilt, så samma luftfuktighet skulle ta längre tid att omvandla från högt-T till lågt-T-tillstånd."

Forskarna kommer också att fortsätta arbeta med att utveckla alternativa sätt att utlösa den omvända övergången, till exempel genom att lägga på spänning, eller konstruera källan till fukten.

"Solcellen visar helt reversibel prestanda och utmärkt enhetsstabilitet över upprepade fasövergångscykler utan någon färgblekning eller prestandaförsämring, sa Lai, en doktorand i Yangs grupp. "Med en sådan här enhet, en byggnad eller bil kan skörda solenergi genom det smarta solcellsfönstret."