光熱調(diào)控材料可以在外場（光、熱、電、磁）的刺激下動態(tài)改變其材料本征結(jié)構(gòu)，進而帶來光學(xué)特性發(fā)生相應(yīng)改變，如光學(xué)吸收，反射與透過等；此外，利用多種材料的優(yōu)化組合（多層膜、多組分等）或不同維度的規(guī)則排列（光子晶體、超表面等）可進一步優(yōu)化器件的調(diào)光能力來實現(xiàn)輻射熱的有效管理。

智能節(jié)能玻璃需要根據(jù)環(huán)境溫度、太陽輻射的動態(tài)變化實現(xiàn)對其自身能量交換能力的動態(tài)響應(yīng)，這種動態(tài)響應(yīng)要求材料能夠在很寬的波長范圍內(nèi)實現(xiàn)多種光學(xué)狀態(tài)的智能切換。在前期的研究中，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所曹遜研究員團隊以VO2材料為基，研究了多種多層膜調(diào)控結(jié)構(gòu)（Matter 2019;Matter 2020）和表面微納超結(jié)構(gòu)（Nature Communications,2022），主要以調(diào)節(jié)近紅外光波段能量為主，同時發(fā)展了可見光透明、近紅外光強吸收的材料體系（Advanced Energy Materials,2021）；接著以WO3材料為基，通過外加電場方式實現(xiàn)可見和近紅外雙波段區(qū)域（太陽輻射）的能量調(diào)控（Nature Electronics,2022;Angew.Chem.Inter.Ed.,2023）；進一步研究輻射制冷/加熱材料可實現(xiàn)中遠紅外波段能量的調(diào)控，并利用輻射制冷與熱電等材料耦合還可以有效提升發(fā)電效率（Nature Communications,2024）。然而對于窗戶而言，除了太陽輻射的調(diào)控外，吸收熱量后的中遠紅外發(fā)射同等重要，進而才能真正實現(xiàn)整個窗戶的輻射熱管理，達到最佳節(jié)能效果。

近期，上海硅酸鹽所曹遜研究員與華中科技大學(xué)楊榮貴教授等合作，從優(yōu)化全波段（可見光、近紅外、中遠紅外）光熱交換的角度出發(fā)，開發(fā)出了一種新型電致變色結(jié)構(gòu)，用于窗戶的熱管理，能夠最大限度地利用可見光和近紅外光的太陽輻射以及中紅外光的輻射冷卻。研究團隊提出一種基于VO2和WO3薄膜相變實現(xiàn)三態(tài)轉(zhuǎn)變的電致變色器件。在這個結(jié)構(gòu)中，Li+能夠在不同的外加電壓下分別擴散至單斜相的VO2和WO3層，并完成至四方相的LixVO2和立方相的LiyWO3的相轉(zhuǎn)變。其中，四方相LixVO2具有金屬相的特性，其折射率快速升高，導(dǎo)致近紅外光透過率的劇烈變化；而LiyWO3由于鎢離子的還原表現(xiàn)出對可見光和紅外部分的吸收，導(dǎo)致透過率快速下降。這兩次相變可以實現(xiàn)三種不同的光學(xué)狀態(tài)，從而獨立調(diào)節(jié)可見光和近紅外透射率。值得注意的是，在VO2至LixVO2的相轉(zhuǎn)變中，Li+會陷入較深的勢壘中，進而阻止Li+的復(fù)合，展現(xiàn)出良好的非易失性，維持該電致變色結(jié)構(gòu)的三種光學(xué)狀態(tài)在4小時以上。

此外，研究團隊還發(fā)現(xiàn)在不同溫度氣候下，對智能節(jié)能窗戶內(nèi)外側(cè)的發(fā)射率往往有不同的要求。在建筑全年熱管理過程中，夏季室外環(huán)境和窗戶表面溫度比室內(nèi)高，為了降低制冷能耗，減少熱量進入，需要降低室外經(jīng)窗戶向內(nèi)輻射熱量，因此需要在窗戶內(nèi)側(cè)設(shè)置低發(fā)射率；冬季室外和窗戶表面溫度比室內(nèi)低，為了降低制熱能耗，減少熱量損失，需要降低室內(nèi)向窗戶輻射熱量，同樣需要在窗戶內(nèi)側(cè)設(shè)置低發(fā)射率。此外在電致變色結(jié)構(gòu)往往在著色狀態(tài)呈現(xiàn)較強的光吸收，在光照下，電致變色結(jié)構(gòu)表面溫度相較于傳統(tǒng)玻璃往往較高對其使用壽命和循環(huán)能力有較大影響，因此需要在外表面設(shè)置高發(fā)射率。研究團隊進一步通過優(yōu)化電致變色結(jié)構(gòu)外側(cè)（εMIR-O為0.89）和內(nèi)側(cè)（εMIR-I為0.44）電致變色電極的發(fā)射率，將室內(nèi)外環(huán)境之間的輻射熱交換最小化。（如圖1）

熱交換模擬和實驗研究驗證了該模型的普適性和有效性。研究團隊在上海市和三亞市進行的戶外實驗表明，在典型晴朗天氣下，與傳統(tǒng)商用的Low-e窗戶相比，這種基于新型電致變色結(jié)構(gòu)的窗戶可實現(xiàn)全天持續(xù)冷卻，最高溫度降幅可達14°C（如圖2）。模擬顯示，這種新的電致變色器件在世界上絕大多數(shù)氣候區(qū)域比商用Low-e玻璃具有更高的節(jié)能效果（如圖3）。該發(fā)現(xiàn)為創(chuàng)新的智能節(jié)能窗戶設(shè)計提供了巨大機遇，有助于實現(xiàn)全球碳中和和可持續(xù)發(fā)展。

相關(guān)研究成果以“Tri-band electrochromic smart window for energy savings in buildings”為題發(fā)表在Nature Sustainability上。上海硅酸鹽所博士畢業(yè)生邵澤偉、黃愛彬副研究員和博士生曹翠翠為論文共同第一作者。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、ANSO國際合作專項、上海市自然科學(xué)基金原創(chuàng)探索等項目的資助和支持。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41893-024-01349-z

圖1：可見-近紅外-中遠紅外優(yōu)化的電致變色結(jié)構(gòu)設(shè)計。（a）理想的電致變色節(jié)能窗戶的光譜設(shè)計；（b）可見-中遠紅外優(yōu)化的電致變色結(jié)構(gòu)；（c）電致變色結(jié)構(gòu)的中遠紅外發(fā)射率性能表征；（d）電致變色結(jié)構(gòu)的可見-中遠紅外光學(xué)性能表征。

圖2：戶外節(jié)能性能測試結(jié)果。（a）樣品及測試方法照片；（b）不同樣品的溫度測試實時結(jié)果及太陽輻照實時結(jié)果；（c）實驗樣品與Low-e樣品的實測溫差對比。

圖3：熱交換模擬節(jié)能性能結(jié)果。（a）上海市典型天氣下不同月份的能耗結(jié)果對比；（b）全球典型天氣下全能能耗結(jié)果實驗樣品與Low-e玻璃間差值。