當前位置：上海硅酸鹽所在寬波段光熱調控節能窗研究中取得重要進(jìn)展
光熱調控材料可以在外場(chǎng)（光、熱、電、磁）的刺激下動(dòng)態(tài)改變其材料本征結構，進(jìn)而帶來(lái)光學(xué)特性發(fā)生相應改變，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）或不同維度的規則排列（光子晶體、超表面等）可進(jìn)一步優(yōu)化器件的調光能力來(lái)實(shí)現輻射熱的有效管理。
智能節能玻璃需要根據環(huán)境溫度、太陽(yáng)輻射的動(dòng)態(tài)變化實(shí)現對其自身能量交換能力的動(dòng)態(tài)響應，這種動(dòng)態(tài)響應要求材料能夠在很寬的波長(cháng)范圍內實(shí)現多種光學(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控結構（Matter 2019；Matter 2020）和表面微納超結構（Nature Communications, 2022），主要以調節近紅外光波段能量為主，同時(shí)發(fā)展了可見(jiàn)光透明、近紅外光強吸收的材料體系（Advanced Energy Materials, 2021）；接著(zhù)以WO3材料為基，通過(guò)外加電場(chǎng)方式實(shí)現可見(jiàn)和近紅外雙波段區域（太陽(yáng)輻射）的能量調控（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)現中遠紅外波段能量的調控，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(hù)而言，除了太陽(yáng)輻射的調控外，吸收熱量后的中遠紅外發(fā)射同等重要，進(jìn)而才能真正實(shí)現整個(gè)窗戶(hù)的輻射熱管理，達到最佳節能效果。
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構，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。研究團隊提出一種基于VO2和WO3薄膜相變實(shí)現三態(tài)轉變的電致變色器件。在這個(gè)結構中，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的相轉變。其中，四方相LixVO2具有金屬相的特性，其折射率快速升高，導致近紅外光透過(guò)率的劇烈變化；而LiyWO3由于鎢離子的還原表現出對可見(jiàn)光和紅外部分的吸收，導致透過(guò)率快速下降。這兩次相變可以實(shí)現三種不同的光學(xué)狀態(tài)，從而獨立調節可見(jiàn)光和近紅外透射率。值得注意的是，在VO2至LixVO2的相轉變中，Li+會(huì )陷入較深的勢壘中，進(jìn)而阻止Li+的復合，展現出良好的非易失性，維持該電致變色結構的三種光學(xué)狀態(tài)在4小時(shí)以上。
此外，研究團隊還發(fā)現在不同溫度氣候下，對智能節能窗戶(hù)內外側的發(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)向內輻射熱量，因此需要在窗戶(hù)內側設置低發(fā)射率；冬季室外和窗戶(hù)表面溫度比室內低，為了降低制熱能耗，減少熱量損失，需要降低室內向窗戶(hù)輻射熱量，同樣需要在窗戶(hù)內側設置低發(fā)射率。此外在電致變色結構往往在著(zhù)色狀態(tài)呈現較強的光吸收，在光照下，電致變色結構表面溫度相較于傳統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置高發(fā)射率。研究團隊進(jìn)一步通過(guò)優(yōu)化電致變色結構外側（εMIR-O為0.89）和內側（εMIR-I為0.44）電致變色電極的發(fā)射率，將室內外環(huán)境之間的輻射熱交換最小化。（圖1）
熱交換模擬和實(shí)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(jìn)行的戶(hù)外實(shí)驗表明，在典型晴朗天氣下，與傳統商用的Low-e窗戶(hù)相比，這種基于新型電致變色結構的窗戶(hù)可實(shí)現全天持續冷卻，最高溫度降幅可達14°C （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（圖3）。該發(fā)現為創(chuàng )新的智能節能窗戶(hù)設計提供了巨大機遇，有助于實(shí)現全球碳中和和可持續發(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。研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、ANSO國際合作專(zhuān)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(jiàn)-近紅外-中遠紅外優(yōu)化的電致變色結構設計。（a）理想的電致變色節能窗戶(hù)的光譜設計；（b）可見(jiàn)-中遠紅外優(yōu)化的電致變色結構；（c）電致變色結構的中遠紅外發(fā)射率性能表征；（d）電致變色結構的可見(jiàn)-中遠紅外光學(xué)性能表征。
圖2. 戶(hù)外節能性能測試結果。（a）樣品及測試方法照片；（b）不同樣品的溫度測試實(shí)時(shí)結果及太陽(yáng)輻照實(shí)時(shí)結果；（c）實(shí)驗樣品與Low-e樣品的實(shí)測溫差對比。
圖3. 熱交換模擬節能性能結果。（a）上海市典型天氣下不同月份的能耗結果對比；（b）全球典型天氣下全能能耗結果實(shí)驗樣品與Low-e玻璃間差值。
