东南大学赵东亮教授课题组Advanced Science：用于辐射制冷/太阳能加热动态切换的双波段电致变色智能窗

电致变色（Electrochromic EC）是指当材料受到电流或电压作用时，其电子结构和光学性质（如透射、反射或吸收）发生可逆变化，从而产生可调节材料颜色或透明度的现象。电致变色技术因其主动调节、能耗低、响应时间快、颜色变化范围广等优点而在智能窗研究领域受到广泛关注。本研究提出了一种旨在降低建筑能耗的电致变色玻璃，通过将金属银Ag沉积或溶解在玻璃表面，结合机械翻转技术，实现了智能窗在太阳光波段和中红外波段的光学性质双向动态调控，其太阳能反射率能在87.9%和19.9%之间切换，中红外发射率能在90.6%和10.8%之间切换。这种动态切换能力使电致变色玻璃能够在辐射冷却和太阳能加热模式之间无缝转换，适应不同的气候条件。相关工作以Dual-Band Electrochromic Smart Window for Dynamic Switching Between Radiative Cooling and Solar Heating为题发表在Advanced Science期刊。

本研究基于可逆金属电沉积技术和机械翻转技术，设计了一种双模式动态电致变色玻璃。电致变色玻璃由两个氧化铟锡（ITO）涂层玻璃电极组成，两电极间封装有银离子凝胶电解质。电致变色玻璃的结构与双功能模式如图1所示，炎热天气时，施加负电压将银离子沉积到ITO电极表面上形成膜，使得电致变色玻璃具有高太阳反射率，同时外表面是具有高中红外发射率的玻璃（钠钙玻璃），有利于辐射冷却散热；而涂覆有ITO的内表面具有低中红外发射率，减少了从外部环境到室内空间的热传递。寒冷天气时，通过机械装置翻转玻璃，并且移除所施加的电压，使银膜溶解。此时，玻璃具有高太阳能透射率，可利用太阳能为室内供暖；面向外部的ITO表面具有低中红外发射率的特点，减少了室内热量向外部环境的损失。电致变色玻璃的光谱调制能力和电化学性能如图2所示，通过将金属银Ag沉积或溶解在玻璃表面，结合机械翻转技术，实现了智能窗在太阳光波段和中红外波段的光学性质双向动态调控，其太阳能反射率能在87.9%和19.9%之间切换，中红外发射率能在90.6%和10.8%之间切换。该电致变色玻璃经过有关显色效率的性能检测，表现出良好的长期稳定性、快速响应和低的热稳定性。室外实验装置和热性能测量如图3所示，室外实验结果表明，在太阳直接辐射为1.980 Wm−2的情况下，在辐射冷却模式下，电致变色玻璃背面太阳能吸收层的温度平均比环境温度低1.7 °C，最大温差为4.5 °C。在太阳能加热模式下，背面太阳能吸收层的温度平均比环境温度高11.3 ℃，最大温差为16.2 ℃。最后，研究利用Energy Plus软件模拟了电致变色玻璃应用于商业建筑天窗时供暖、通风与空气调节（HVAC）系统的年节能量，在全球大多数地区，每年的HVAC节能量超过50 MJ m−2，一些地区实现了每年超过150 MJ m-2的HVAC节能，电致变色玻璃应用于建筑的暖通节能效果如图4所示。

图1.电致变色玻璃的结构与双功能模式。(a)理想节能窗在炎热和寒冷天气下的光学性能。(b)理想节能天窗在炎热和寒冷天气下的能量传递示意图。(c)具有可动态切换的冷却模式（辐射冷却）和加热模式（太阳能加热）的电致变色玻璃结构。(d)电致变色玻璃在冷却模式和加热模式下的照片。

图2.电致变色玻璃的光谱调制能力和电化学性能。(a)太阳光透过率与ITO膜厚的关系。(b)中红外反射率与ITO膜厚的关系。(c)通过SEM捕获的ITO涂覆玻璃的横截面，显示ITO膜厚度。(d)在加热和冷却模式下电致变色玻璃的太阳反射率和中红外发射率的比较。(e)在加热和冷却模式下电致变色玻璃的太阳能透射率的比较。(f)加热和冷却模式下在热平台上测量的电致变色玻璃的红外热成像。(g)在200 000 s内，施加多组−2.5V（30 s）和0 V（170 s）的周期性电压后，评价电致变色玻璃在633 nm处的着色-漂白循环稳定性。考虑到紫外-可见-近红外分光光度计的最大允许测量时间为100 000 s，因此进行了两次连续测试。(h)着色-漂白循环的最后600秒显示电致变色玻璃的光学性质对电压的响应。

图3.室外实验装置及所测电致变色玻璃热工性能。(a)室外实验装置示意图。(b)室外实验装置和天气的照片。(c)室外试验期间，电致变色玻璃在冷却和加热模式下的照片。(d)室外试验时的风速和环境湿度。(e)在加热和冷却模式下，直射阳光下电致变色玻璃的太阳能吸收层的温度。(f)在室外实验期间，电致变色玻璃背面的太阳能吸收层与周围环境之间的温度差。

图4.电致变色玻璃应用于建筑的暖通节能效果。(a)建筑天窗采用电致变色玻璃的模型示意图。(b)在北京气候条件下，建筑天窗采用电致变色玻璃一年的制冷和制热能耗（MJ/m2）。(c)选取15个具有代表性的不同气候区城市，对建筑天窗应用电致变色玻璃的节能效果进行了评价（比较每平方米空调年节能量MJ/m2和空调年节能率%）。(d)考虑当地气候条件，全球范围内应用电致变色玻璃所产生的每年供暖、通风与空气调节（HVAC）节能百分比。

小结：本研究通过将可逆金属电沉积技术与机械翻转技术相结合，提出了一种双模式动调调节的电致变色玻璃，满足了节能窗在不同天气条件下的热调节需求，实现了太阳光谱和中红外的双向动态调制。电致变色智能窗其卓越的热管理能力可以针对全球不同气候而定制操作模式，实现较高的节能收益，为全球各种气候下智能窗户提供高效节能的选择。

论文信息:Zhao, X., Chen, Q., Fan, F., Wang, Q., Su, Y., Liu, M., Zhu, F., & Zhao, D. (2025). Dual-Band Electrochromic Smart Window for Dynamic Switching Between Radiative Cooling and Solar Heating. Adv. Sci., e04483, 2025.

https://doi.org/10.1002/advs.202504483

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