上硅所曹逊/华中科大杨荣贵最新Nature Sustainability：智能变色窗！

三波段电致变色智能窗，用于建筑物的节能

全球建筑能耗是可持续发展的重大挑战，而窗户在其中起着关键作用，占暖通空调能量损失的20%。窗户的能量交换涉及传导、对流和热辐射，覆盖从可见光到中红外的波长范围。电致变色（EC）智能窗户技术，通过电压调节太阳辐射，被认为是降低建筑能耗和提升热舒适度的有力工具。最新双波段EC窗户可独立控制近红外和可见光透射率，并优化中红外热辐射，显著降低能耗。然而，传统EC窗户需双面玻璃基板，导致中红外发射率高。新型EC窗户结构结合中红外特性调节，可有效降低能耗，但在广泛独立热管理方面仍需突破。

在这里，中国科学院上海硅酸盐研究所曹逊研究员课题组联合华中科技大学杨荣贵教授课题组共同介绍一种电致变色设计，它结合了对中红外光的辐射冷却以及对可见光和近红外光的最大化利用。电致变色窗口利用了 WO3/VO2 薄膜结构，通过可控的锂离子插层深度，提供了三种活性光学状态，可独立控制可见光和近红外线的透过率。此外，在两个表面使用具有优先发射率的电极可优化室内和室外环境之间的辐射热交换。现场实验和模拟显示，在全球大多数气候区，此设备比商用低辐射玻璃更节能。相关成果以“Tri-band electrochromic smart window for energy savings in buildings”为题发表在《Nature Sustainability》上，第一作者为邵泽伟,黄爱彬和Cuicui Cao为共同一作。值得一提的是，据课题组主页显示，曹逊研究员课题组第一篇大子刊Nature Electronics的第一作者就是邵泽伟，今日，他发表了课题组第二篇大子刊！

邵泽伟

EC器件的三频优化

作者提出了一种理想的节能窗，可以最大化利用可见光、近红外和中红外三波段辐射（图 1a）。这种窗户通过结合 VO 2/WO 3 的电致变色结构（图 1b）和外部电压控制，可以精确调节窗户的透光和隔热性能。独特的设计采用红外透明的聚乙烯薄膜代替了传统的内侧玻璃基板，降低了热辐射，同时避免了使用额外的导电膜，以提升透光率和热控效果。此外，如图 1e 所示，这种窗户可独立调节可见光和近红外光，呈现出上述三种不同的明显光学状态：亮加热、亮冷却和暗状态。在 2.5-20 µm 波长范围内，装置正面（聚乙烯/ITO）和反面（石英/ITO）显示出明显不同的中近红外辐射。

图1：EC设备的概念和设计

制造和表征

图 2a展示了一种具有双波段导电率特性的先进导电率器件，利用石英/ITO基底上通过溅射制成的WO 3和VO 2薄膜，配合电解质和PE/ITO电极构成电解电容装置。该设备可通过改变外加电压，在亮加热、亮冷却及暗状态之间切换，从而控制对可见光和近红外光的透过与阻挡（图 2b）。特别地，VO 2/WO 3电致变色（EC）器件在不同电压下展现了优异的光学透过光谱变化，反映出L i+的插层和脱插动态。此外，原位X射线衍射分析进一步证明了由锂离子深度扩散引起的相变（图2d），这种相变对调节近红外及可见光具有重要作用。作者还关注了器件的着色稳定性，显示出在无电压状态下，VO 2/WO 3结构能长时间维持不同光学状态，这对电子镇流器的节能性能评估至关重要。

图2：三频优化EC器件的特性

户外性能

作者在户外进行了连续实验。图3a展示了在窗户上放置的五种样品，包括明加热、明冷却、暗状态的三波段优化EC装置、空白玻璃和商用低辐射玻璃。图3b记录了五条温度曲线、环境温度和太阳辐照度，太阳辐照度的峰值约为660 W/m²。图3c显示，不同状态适用于不同的天气条件。09:00之前，太阳辐照度较低（<100 W/m²），各窗户之间的温度差不超过1°C，适合采用明加热状态，以确保室内明亮。当太阳辐照度增强时（09:00至10:30，100-200 W/m²），亮冷态和暗态的室内温度比低辐射玻璃低约2°C，适合采用明冷状态。当太阳辐照度达到峰值（>600 W/m²）时，10:30之后，暗态的室内温度比低辐射玻璃低约8°C，表明此时暗态更为合适。

图 3：EC 装置的户外性能

热建模与节能评估

为了研究三频优化EC设备的节能性能，作者通过大量模拟和EnergyPlus软件评估了暖通空调和照明的节能效果。图4a显示了在不同温度和太阳辐照密度下的光学状态选择：寒冷天气下，采用明亮加热状态让近红外和可见光进入室内；炎热天气中，根据具体条件依次采用明亮制冷和暗状态调节近红外和可见光；夜间遮挡光线确保私密性。以上海为模拟地点，结果显示，"五一"期间，为实现最低能耗，EC窗口应在三种状态间切换，且维持状态的能耗为零（图 4b）。与空白玻璃和低辐射玻璃相比，三频优化EC窗显著节能，全年可节省23.9%的暖通空调能耗，优于传统EC设备和低辐射玻璃（图4c）。模拟结果证明了三波段优化节能窗在夏季的高效性能。

图4：优化三频EC器件的节能评估。

小结

总之，与传统的低辐射玻璃相比，作者优化的三波段导电率设计，加上针对不同气候条件的定制开关模式，有望在供暖和制冷方面节省大量能源，使其成为全球各种气候条件下窗户的可持续选择。

通讯作者简介

曹逊，研究员，博士生导师，古陶瓷与工业陶瓷中心副主任，“光热调控智能材料课题组”组长，上海浦江人才。2004年毕业于吉林大学，获学士学位，2010年毕业于中国科学院上海硅酸盐研究所材料物理与化学专业，获工学博士学位，毕业后留所工作担任助理研究员、副研究员，2015年开始先后在美国加州大学伯克利分校和劳伦兹国家实验室从事功能薄膜材料与器件的研究，2016年底回国后，先后任课题组副组长，组长，研究员。

研究方向主要包括光热调控材料与元器件，新型节能材料及涂层开发等。获中科院首届“率先杯“未来技术创新大赛决赛优胜奖（排名第一），在光热调控材料及器件领域发表SCI论文60篇；成果被发表在Nat. Nanotechnol., Adv. Mater., Rep. Prog. Phys.等多种国际期刊引用2500余次，H因子29。近五年来，以第一/通讯作者在Nat. Electron., Matter (2篇), Adv. Energy Mater., Nano Energy (2篇), Acc Mater. Res., NPG Asia Mater., Laser Photonics & Rev. (2篇), J. Mater. Chem. A (2篇)等国际核心期刊上发表论文五十余篇。受邀参与撰写了4部光热调控材料相关英文著作；以第一/主要发明人累计申请专利30项，已获授权17项；多次受邀在国际/国内电致变色材料大会、国际特种陶瓷大会等学术论坛上作邀请报告。

杨荣贵，教授，博士生导师，华中科技大学能源学院热功能与交叉实验室负责人。杨荣贵教授1996年毕业于西安交通大学热能工程专业，于1999年取得清华大学热能工程硕士学位，于2001年取得加利福尼亚大学洛杉矶校区微机电系统（MEMS）硕士学位，于2006年取得麻省理工学院机械工程博士学位（固体电子学minor）。2006年1月起就职于科罗拉多大学博尔德校区机械工程系，任助理教授，2011年提前两年获得终身副教授教席，2016年起任终身正教授，2018年加入华中科技大学。任能源学院二级教授，2023年被中国科协推举为中国科学院技术科学部院士候选人。

杨荣贵在传热学的几个分支（微纳米导热、相变换热、辐射换热）的原创性研究及其应用方面（芯片散热、热电、高温热防护、辐射制冷）都做出举世瞩目的贡献，获得大量同行嘉奖。杨荣贵教授已发表了包括4篇Science、4篇NatureMaterials、3篇 Science Advances、4篇Joule、1篇Review of Modern Physics、近20篇Physics Review在内的～240篇期刊论文。Web ofScience被引频次总计24000余次，H指数为73，（Google学术总引用次数31000余次，H指数为85，2022年起年度引用次数约5000次）。

来源：高分子科学前沿

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