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光熱調(diào)控材料可以在外場(chǎng)（光、熱、電、磁）的刺激下動(dòng)態(tài)改變其材料本征結(jié)構(gòu)，進(jìn)而帶來(lái)光學(xué)特性發(fā)生相應(yīng)改變，如光學(xué)吸收，反射與透過(guò)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(jìn)一步優(yōu)化器件的調(diào)光能力來(lái)實(shí)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(yáng)輻射的動(dòng)態(tài)變化實(shí)現(xiàn)對(duì)其自身能量交換能力的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，這種動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求材料能夠在很寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)多種光學(xué)狀態(tài)的智能切換。在前期的研究中，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所曹遜研究員團(tuán)隊(duì)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(shí)發(fā)展了可見(jiàn)光透明、近紅外光強(qiáng)吸收的材料體系（Advanced Energy Materials,2021）；接著以WO3材料為基，通過(guò)外加電場(chǎng)方式實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)和近紅外雙波段區(qū)域（太陽(yáng)輻射）的能量調(diào)控（Nature Electronics,2022;Angew.Chem.Inter.Ed.,2023）；進(jìn)一步研究輻射制冷/加熱材料可實(shí)現(xiàn)中遠(yuǎn)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(duì)于窗戶(hù)而言，除了太陽(yáng)輻射的調(diào)控外，吸收熱量后的中遠(yuǎn)紅外發(fā)射同等重要，進(jìn)而才能真正實(shí)現(xiàn)整個(gè)窗戶(hù)的輻射熱管理，達(dá)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(jiàn)光、近紅外、中遠(yuǎn)紅外）光熱交換的角度出發(fā)，開(kāi)發(fā)出了一種新型電致變色結(jié)構(gòu)，用于窗戶(hù)的熱管理，能夠最大限度地利用可見(jiàn)光和近紅外光的太陽(yáng)輻射以及中紅外光的輻射冷卻。研究團(tuán)隊(duì)提出一種基于VO2和WO3薄膜相變實(shí)現(xiàn)三態(tài)轉(zhuǎn)變的電致變色器件。在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，Li+能夠在不同的外加電壓下分別擴(kuò)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(guò)率的劇烈變化；而LiyWO3由于鎢離子的還原表現(xiàn)出對(duì)可見(jiàn)光和紅外部分的吸收，導(dǎo)致透過(guò)率快速下降。這兩次相變可以實(shí)現(xiàn)三種不同的光學(xué)狀態(tài)，從而獨(dú)立調(diào)節(jié)可見(jiàn)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(huì)陷入較深的勢(shì)壘中，進(jìn)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(shí)以上。

此外，研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)在不同溫度氣候下，對(duì)智能節(jié)能窗戶(hù)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(guò)程中，夏季室外環(huán)境和窗戶(hù)表面溫度比室內(nèi)高，為了降低制冷能耗，減少熱量進(jìn)入，需要降低室外經(jīng)窗戶(hù)向內(nèi)輻射熱量，因此需要在窗戶(hù)內(nèi)側(cè)設(shè)置低發(fā)射率；冬季室外和窗戶(hù)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(hù)輻射熱量，同樣需要在窗戶(hù)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(qiáng)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(duì)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(tuán)隊(duì)進(jìn)一步通過(guò)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(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證了該模型的普適性和有效性。研究團(tuán)隊(duì)在上海市和三亞市進(jìn)行的戶(hù)外實(shí)驗(yàn)表明，在典型晴朗天氣下，與傳統(tǒng)商用的Low-e窗戶(hù)相比，這種基于新型電致變色結(jié)構(gòu)的窗戶(hù)可實(shí)現(xiàn)全天持續(xù)冷卻，最高溫度降幅可達(dá)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(hù)設(shè)計(jì)提供了巨大機(jī)遇，有助于實(shí)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(ài)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、ANSO國(guó)際合作專(zhuān)項(xiàng)、上海市自然科學(xué)基金原創(chuàng)探索等項(xiàng)目的資助和支持。

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

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

圖2：戶(hù)外節(jié)能性能測(cè)試結(jié)果。（a）樣品及測(cè)試方法照片；（b）不同樣品的溫度測(cè)試實(shí)時(shí)結(jié)果及太陽(yáng)輻照實(shí)時(shí)結(jié)果；（c）實(shí)驗(yàn)樣品與Low-e樣品的實(shí)測(cè)溫差對(duì)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(duì)比；（b）全球典型天氣下全能能耗結(jié)果實(shí)驗(yàn)樣品與Low-e玻璃間差值。