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光(guang)(guang)熱(re)調控材料(liao)可以在(zai)外場（光(guang)(guang)、熱(re)、電、磁）的刺激下動態改(gai)變其材料(liao)本征結構，進而帶來光(guang)(guang)學特性發(fa)生相(xiang)應改(gai)變，如光(guang)(guang)學吸收，反射與(yu)透過等；此外，利用多種材料(liao)的優化組合（多層(ceng)膜、多組分等）或不同維度的規則排列（光(guang)(guang)子晶體(ti)、超表面(mian)等）可進一步(bu)優化器件的調光(guang)(guang)能力來實(shi)現輻(fu)射熱(re)的有效管(guan)理。

智能(neng)節能(neng)玻璃需要(yao)根據環境溫度、太陽輻射的(de)動(dong)態變化實現對其自身能(neng)量交換(huan)能(neng)力的(de)動(dong)態響應(ying)，這種動(dong)態響應(ying)要(yao)求材(cai)(cai)(cai)料(liao)能(neng)夠在很(hen)寬(kuan)的(de)波(bo)長(chang)范圍內實現多(duo)種光(guang)學狀(zhuang)態的(de)智能(neng)切(qie)換(huan)。在前期的(de)研(yan)(yan)(yan)究中(zhong)，中(zhong)國(guo)科學院(yuan)上海硅酸鹽研(yan)(yan)(yan)究所曹遜研(yan)(yan)(yan)究員團隊(dui)以(yi)VO2材(cai)(cai)(cai)料(liao)為基(ji)，研(yan)(yan)(yan)究了(le)多(duo)種多(duo)層(ceng)膜調(diao)控(kong)結構（Matter 2019;Matter 2020）和(he)表面微納超結構（Nature Communications,2022），主要(yao)以(yi)調(diao)節近紅(hong)外(wai)(wai)光(guang)波(bo)段能(neng)量為主，同時(shi)發(fa)(fa)展了(le)可(ke)見(jian)光(guang)透(tou)明、近紅(hong)外(wai)(wai)光(guang)強吸(xi)收的(de)材(cai)(cai)(cai)料(liao)體系（Advanced Energy Materials,2021）；接(jie)著以(yi)WO3材(cai)(cai)(cai)料(liao)為基(ji)，通過(guo)外(wai)(wai)加電場(chang)方(fang)式實現可(ke)見(jian)和(he)近紅(hong)外(wai)(wai)雙波(bo)段區域（太陽輻射）的(de)能(neng)量調(diao)控(kong)（Nature Electronics,2022;Angew.Chem.Inter.Ed.,2023）；進一步(bu)研(yan)(yan)(yan)究輻射制冷/加熱(re)材(cai)(cai)(cai)料(liao)可(ke)實現中(zhong)遠(yuan)紅(hong)外(wai)(wai)波(bo)段能(neng)量的(de)調(diao)控(kong)，并利用輻射制冷與熱(re)電等(deng)材(cai)(cai)(cai)料(liao)耦合還可(ke)以(yi)有效提(ti)升(sheng)發(fa)(fa)電效率(lv)（Nature Communications,2024）。然(ran)而(er)(er)對于窗(chuang)(chuang)戶而(er)(er)言，除了(le)太陽輻射的(de)調(diao)控(kong)外(wai)(wai)，吸(xi)收熱(re)量后的(de)中(zhong)遠(yuan)紅(hong)外(wai)(wai)發(fa)(fa)射同等(deng)重要(yao)，進而(er)(er)才能(neng)真正實現整個窗(chuang)(chuang)戶的(de)輻射熱(re)管理，達到最佳(jia)節能(neng)效果(guo)。

近(jin)期，上海硅酸鹽所曹(cao)遜研(yan)究員與華中(zhong)科技(ji)大學楊榮貴教授等(deng)合(he)作，從優化(hua)全波段(duan)（可見(jian)光、近(jin)紅(hong)(hong)(hong)外(wai)(wai)(wai)(wai)、中(zhong)遠(yuan)紅(hong)(hong)(hong)外(wai)(wai)(wai)(wai)）光熱交(jiao)換的(de)(de)(de)(de)(de)角度(du)出(chu)(chu)發(fa)，開發(fa)出(chu)(chu)了一(yi)種新型電致(zhi)(zhi)變色(se)結(jie)構，用于窗(chuang)戶的(de)(de)(de)(de)(de)熱管理(li)，能夠最大限度(du)地利用可見(jian)光和(he)(he)(he)近(jin)紅(hong)(hong)(hong)外(wai)(wai)(wai)(wai)光的(de)(de)(de)(de)(de)太陽輻(fu)射(she)以及(ji)中(zhong)紅(hong)(hong)(hong)外(wai)(wai)(wai)(wai)光的(de)(de)(de)(de)(de)輻(fu)射(she)冷卻。研(yan)究團隊提出(chu)(chu)一(yi)種基(ji)于VO2和(he)(he)(he)WO3薄膜相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)變實(shi)現(xian)三(san)態轉(zhuan)變的(de)(de)(de)(de)(de)電致(zhi)(zhi)變色(se)器件。在這(zhe)個結(jie)構中(zhong)，Li+能夠在不(bu)(bu)同的(de)(de)(de)(de)(de)外(wai)(wai)(wai)(wai)加電壓下(xia)(xia)分別(bie)擴散(san)至單斜相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)VO2和(he)(he)(he)WO3層，并(bing)完成至四方相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)LixVO2和(he)(he)(he)立方相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)LiyWO3的(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)轉(zhuan)變。其中(zhong)，四方相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)LixVO2具(ju)有金(jin)屬相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)特性，其折(zhe)射(she)率(lv)快速(su)升高，導(dao)(dao)致(zhi)(zhi)近(jin)紅(hong)(hong)(hong)外(wai)(wai)(wai)(wai)光透(tou)(tou)過率(lv)的(de)(de)(de)(de)(de)劇烈(lie)變化(hua)；而(er)LiyWO3由于鎢離(li)子(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)還原(yuan)表現(xian)出(chu)(chu)對可見(jian)光和(he)(he)(he)紅(hong)(hong)(hong)外(wai)(wai)(wai)(wai)部分的(de)(de)(de)(de)(de)吸收，導(dao)(dao)致(zhi)(zhi)透(tou)(tou)過率(lv)快速(su)下(xia)(xia)降。這(zhe)兩次相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)變可以實(shi)現(xian)三(san)種不(bu)(bu)同的(de)(de)(de)(de)(de)光學狀態，從而(er)獨(du)立調節可見(jian)光和(he)(he)(he)近(jin)紅(hong)(hong)(hong)外(wai)(wai)(wai)(wai)透(tou)(tou)射(she)率(lv)。值得注意的(de)(de)(de)(de)(de)是，在VO2至LixVO2的(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)轉(zhuan)變中(zhong)，Li+會陷(xian)入(ru)較深的(de)(de)(de)(de)(de)勢壘(lei)中(zhong)，進而(er)阻止Li+的(de)(de)(de)(de)(de)復合(he)，展現(xian)出(chu)(chu)良好的(de)(de)(de)(de)(de)非易失性，維持(chi)該電致(zhi)(zhi)變色(se)結(jie)構的(de)(de)(de)(de)(de)三(san)種光學狀態在4小時(shi)以上。

此外(wai)，研(yan)究團(tuan)(tuan)隊(dui)還(huan)發現在不(bu)同溫(wen)度氣候下(xia)，對智能(neng)節能(neng)窗(chuang)戶(hu)內外(wai)側(ce)的(de)發射(she)率(lv)(lv)往(wang)往(wang)有不(bu)同的(de)要(yao)求。在建筑(zhu)全(quan)年熱(re)(re)管理過程中(zhong)，夏季室(shi)外(wai)環境(jing)和窗(chuang)戶(hu)表面溫(wen)度比室(shi)內高(gao)(gao)，為(wei)了降(jiang)低(di)制冷能(neng)耗(hao)，減少(shao)(shao)熱(re)(re)量(liang)進(jin)入，需(xu)要(yao)降(jiang)低(di)室(shi)外(wai)經窗(chuang)戶(hu)向內輻射(she)熱(re)(re)量(liang)，因此需(xu)要(yao)在窗(chuang)戶(hu)內側(ce)設(she)置低(di)發射(she)率(lv)(lv)；冬(dong)季室(shi)外(wai)和窗(chuang)戶(hu)表面溫(wen)度比室(shi)內低(di)，為(wei)了降(jiang)低(di)制熱(re)(re)能(neng)耗(hao)，減少(shao)(shao)熱(re)(re)量(liang)損失，需(xu)要(yao)降(jiang)低(di)室(shi)內向窗(chuang)戶(hu)輻射(she)熱(re)(re)量(liang)，同樣需(xu)要(yao)在窗(chuang)戶(hu)內側(ce)設(she)置低(di)發射(she)率(lv)(lv)。此外(wai)在電(dian)(dian)致(zhi)(zhi)變色(se)(se)結構往(wang)往(wang)在著色(se)(se)狀(zhuang)態呈現較強(qiang)的(de)光(guang)(guang)吸收(shou)，在光(guang)(guang)照下(xia)，電(dian)(dian)致(zhi)(zhi)變色(se)(se)結構表面溫(wen)度相較于傳統玻璃往(wang)往(wang)較高(gao)(gao)對其使用壽(shou)命和循環能(neng)力有較大影響(xiang)，因此需(xu)要(yao)在外(wai)表面設(she)置高(gao)(gao)發射(she)率(lv)(lv)。研(yan)究團(tuan)(tuan)隊(dui)進(jin)一步(bu)通過優化電(dian)(dian)致(zhi)(zhi)變色(se)(se)結構外(wai)側(ce)（εMIR-O為(wei)0.89）和內側(ce)（εMIR-I為(wei)0.44）電(dian)(dian)致(zhi)(zhi)變色(se)(se)電(dian)(dian)極的(de)發射(she)率(lv)(lv)，將室(shi)內外(wai)環境(jing)之間的(de)輻射(she)熱(re)(re)交換最小化。（如(ru)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，與傳統商用的Low-e窗戶相比，這種基于新型電致變色結構的窗戶可實現全天持續冷卻，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氣候區域比商用Low-e玻璃具有更高的節能效果（如圖3）。該發現為創新的智能節能窗戶設計提供了巨大機遇，有助于實現全球碳中和和可持續發展。

相關研(yan)究(jiu)成果以“Tri-band electrochromic smart window for energy savings in buildings”為題發表在Nature Sustainability上。上海硅酸鹽(yan)所博士(shi)畢業(ye)生(sheng)邵澤偉、黃(huang)愛彬副(fu)研(yan)究(jiu)員和博士(shi)生(sheng)曹翠翠為論(lun)文(wen)共同第一作者。研(yan)究(jiu)工(gong)作得到國(guo)(guo)家(jia)重(zhong)點研(yan)發計劃、國(guo)(guo)家(jia)自(zi)然科學基金、ANSO國(guo)(guo)際合作專項、上海市自(zi)然科學基金原(yuan)創探索等項目的資助(zhu)和支(zhi)持。

論文鏈接：

圖1：可見(jian)(jian)-近紅(hong)外-中遠紅(hong)外優化(hua)的電(dian)致(zhi)(zhi)變(bian)色(se)結(jie)構(gou)設(she)計。（a）理想(xiang)的電(dian)致(zhi)(zhi)變(bian)色(se)節能(neng)窗戶的光(guang)譜設(she)計；（b）可見(jian)(jian)-中遠紅(hong)外優化(hua)的電(dian)致(zhi)(zhi)變(bian)色(se)結(jie)構(gou)；（c）電(dian)致(zhi)(zhi)變(bian)色(se)結(jie)構(gou)的中遠紅(hong)外發射率性(xing)能(neng)表(biao)征；（d）電(dian)致(zhi)(zhi)變(bian)色(se)結(jie)構(gou)的可見(jian)(jian)-中遠紅(hong)外光(guang)學性(xing)能(neng)表(biao)征。

圖2：戶外節能性(xing)能測(ce)試結果。（a）樣品(pin)(pin)及測(ce)試方法照(zhao)片；（b）不同樣品(pin)(pin)的溫(wen)度測(ce)試實(shi)時結果及太陽輻照(zhao)實(shi)時結果；（c）實(shi)驗(yan)樣品(pin)(pin)與Low-e樣品(pin)(pin)的實(shi)測(ce)溫(wen)差對(dui)比。

圖3：熱交換模擬節能性能結果(guo)。（a）上海市典型天氣下(xia)不同月份的能耗結果(guo)對比；（b）全(quan)(quan)球典型天氣下(xia)全(quan)(quan)能能耗結果(guo)實(shi)驗樣品與Low-e玻璃間差值。