【成果推介】新型电致变色智能窗

成果简介

电致变色智能窗是一种太阳能高效利用和节能减排的重要前沿调光智能器件。其由导电玻璃和电致变色材料所组成，在施加较小电压情况下，其颜色发生可逆变化，从而有选择性地吸收或反射外界的热辐射和阻止内部热扩散，达到调节光强度和室内温度，从而实现建筑节能和美观的目的。高性能稳定的电致变色器件是智能窗走向应用的前提。传统的无机电致变色器件在数百次电化学循环后由于材料中离子捕获通常导致性能下降，阻碍了其实际应用。研究和理解电致变色的物理过程是实现高效、快速和稳定电致变色智能窗的关键。

我校纳米光子学团队基于高物理化学稳定性二氧化钛，开展了系列电致变色机理与器件的研究工作。研究发现采用钨掺杂锐钛矿二氧化钛纳米晶，可以显著降低不同价态离子在材料中的嵌入扩散的势垒。基于光谱电化学技术手段，揭示了不同价态阳离子电解质对二氧化钛电致变色性能的影响。发现锌离子驱动的二氧化钛具有长期稳定性、耐久性和快速切换特性，这有望为开发高性能稳定的电致变色器件提供新视角。相关研究工作发表于国际知名期刊《维纳快报》（Nano-Micro Lett. 2021,13, 196）和Science Partner Journal《能源材料前沿》（Energy Mater. Adv. 2022, 2022, 9878957），并受到国内外媒体如科学网、能源学人、PHYS.ORG、EurekAlert、Bioengineer.org等报道。

双波段电致变色智能窗是近年来发展起来的新型节能窗户，其可以选择性的调控太阳光中的近红外热和可见光的透射率，有望进一步大幅度提高建筑能效。然而，迄今为止所报道的大多数双波段电致变色智能窗都是由复杂的复合材料或者具有等离子体性质的纳米晶所制成。近期，该团队展示了一种基于溶胶-凝胶法的策略，使用发泡剂来调控薄膜物态性能用于构建高性能双波段电致变色智能窗器件。所制备的薄膜显示出良好的双波段电致变色性能，包括高光学调制、高着色效率、良好的双稳态和循环稳定性。同时，通过红外热成像技术验证了该器件可以有效调节入射到室内太阳光中的可见光和热量。相关研究工作发表于国际知名期刊《能源化学》（J. Energy Chem. 2022, DOI: 10.1016/j.jechem.2022.10.047）、《材料视野》（Materials Horizons, DOI: 10.1039/D2MH01365G）和《ACS应用电子材料》（ACS Appl. Electron. Mater. 2022, 4, 11, 5109–5118），并被遴选为期刊的正封面进行亮点展示。该工作将有利于推动绿色节能建筑的发展，助力实现“碳减排”和“碳中和”。

应用前景

建筑能耗占社会一次能源消耗的30%，且这一比值正在逐渐增加。窗户作为建筑室内外能量交换的主要载体，是建筑智能节能化中不能忽视的重要一环。传统透明玻璃窗户和窗帘等光热调节装置，因其自身局限性已不能满足当今人们的对照明和制冷/暖的双重动态管理要求。电致变色智能窗是近年来发展起来的新型节能窗户，其可以根据天气变化和人们的个人喜好，动态地调节太阳光进入室内的穿透率。特别是，近年来发展起来的双波段电致变色智能窗，其可以选择性的独立控制太阳光中的近红外热和可见光光的透射率。通过电致变色智能窗的使用，可以独立控制阳光中的可见光和近红外辐射，使室内照明/温度达到人类舒适的水平，有望显著降低建筑在供暖/制冷和人工照明方面的能耗。

成熟度

本团队基于电致变色智能窗的研究已有数年的积累，在实验室基础研究阶段已经能够独立的从电致变色智能窗的设计和器件制备、再到性能调控，可完整的根据场景需求提供智能窗解决方案。

成果展示

图1 电致变色智能窗使用效果示意图

图2 典型电致变色智能窗不同运行模式下的光谱图和数码照片

知识产权情况

成果完成人

物理科学与工程技术学院：曹盛

 成果转化，请联系成果与合作处，联系人：刘老师，联系电话：0771-3904162。