論文信息：

X Zhao, Q Chen，F Fan，Q Wang，Y Su，M Liu，F Zhu，and D Zhao.Dual-Band Electrochromic Smart Window for Dynamic Switching Between Radiative Cooling and Solar Heating, Adv Sci, 2025, e04483.

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.202504483

研究背景

建筑能耗占全球總能耗的三分之一以上，其中暖通空調（HVAC）系統消耗超過40%的建筑能源。窗戶是建筑能源損失的主要源頭，傳統窗戶作為靜態結構，無法動態調節能量傳輸，導致60%的建筑能量損失。現有電致變色（EC）智能窗主要調控太陽光譜（0.3-2.5 μm），但中紅外（MIR，2.5-20 μm）調控能力不足。擴展調控范圍至MIR波段，可結合輻射冷卻（高MIR發射率）與太陽能加熱（高太陽透射率），實現更高效的節能。本文設計了一種基于可逆金屬電沉積技術的雙模式動態電致變色（EC）玻璃。該玻璃結合銀的電沉積/溶解與玻璃面板的機械翻轉，實現了太陽光譜和中紅外光譜的雙向動態調制。

研究內容

作者提出一種結合銀電沉積/溶解與玻璃面板機械翻轉的雙模EC玻璃，實現太陽光譜（0.3-2.5 μm）和MIR光譜（2.5-20 μm）的雙向調控；該EC玻璃組件由兩片氧化銦錫（ITO）涂層玻璃電極夾銀基凝膠電解質組成，其中一片玻璃雙面涂覆ITO以形成MIR光譜的內外表面發射率差異，如圖1所示。該EC玻璃的動態切換機制為，在炎熱天氣下為輻射冷卻模式，施加-2.5 V電壓，銀離子還原沉積為納米顆粒膜，太陽反射率達87.9%，外表面（玻璃）MIR 發射率90.6%，反射太陽輻射并高效散熱；在寒冷天氣下為太陽能加熱模式，機械翻轉玻璃并移除電壓，銀膜溶解，太陽透過率61.2%，外表面（ITO）MIR發射率10.8%，透過太陽輻射并減少熱量流失。

圖 1.冷卻方式(輻射冷卻)和加熱方式(太陽能加熱)可動態切換的EC玻璃結構

該EC玻璃ITO膜厚度的優化是器件設計的關鍵因素，最佳厚度為ITO膜保持高太陽透射率，同時實現高MIR反射率。如圖2(a)和(b)所示，選擇190 nm厚度的ITO膜來平衡太陽透過率（可見光78.8%）與MIR反射率（89%），同時降低紫外線透過率（從81.0%降至53.6%），提升抗老化能力。如圖2(d)和(e)所示，施加電壓狀態，銀沉積在玻璃表面，太陽光譜平均反射率87.9%，平均透過率0.09%，有效阻擋外部熱量進入室內；MIR整體平均發射率90.6%，結合高太陽反射率與高MIR發射率，實現輻射冷卻。去除電壓狀態時，銀通過中介過程溶解，太陽光譜平均透過率61.2%，平均反射率19.9%，可有效收集和利用太陽能加熱；可見光譜平均透過率78.8%，確保充足采光。根據圖2(f)的熱成像圖可知，玻璃側在MIR光譜中顯示出高發射率，增強熱輻射且溫度顯著升高；ITO膜側由于其在MIR光譜中的低發射率，削弱熱輻射且溫度較低。由圖2(g)和(h)可知，EC玻璃的電致變色性能響應快30秒內完成著色（透射率從77.4%降至4.9%）和漂白（恢復至初始值），且其1000次循環后透射率保持92.5%，長期運行后反射率保持98%，有著良好的長期穩定性。

圖2.EC玻璃的光譜調制能力和電化學性能

(a)太陽透過率與ITO膜厚度的關系；(b)MIR反射率與ITO膜厚度的關系；(c)電鏡捕獲的ITO膜厚度；(d)加熱/冷卻模式下太陽反射率和MIR發射率的比較；(e)加熱/冷卻模式下太陽透過率比較；(f)EC玻璃在加熱/冷卻模式的紅外熱成像；(g)EC玻璃的著色-漂白循環穩定性；(h)EC玻璃光學特性對電壓的響應；

此外，作者還設計并做了室外實驗，評估EC玻璃在室外環境下的溫度管理能力。該實驗設計為，輻射冷卻模式玻璃面朝外+銀沉積，背面黑色吸收層模擬建筑吸熱；太陽能加熱模式ITO面朝外+透明態，吸收層捕獲太陽輻射。如圖3(a)和(b)所示實驗結果為，輻射冷卻模式，太陽吸收層溫度比環境低1.7 ℃（最大4.5 ℃），有效散熱。太陽能加熱模式，溫度比環境高11.3 ℃（最大16.2 ℃），高效集熱。實驗結果表明，EC玻璃在真實室外環境中表現出優異的溫度管理能力，在輻射冷卻和太陽能加熱模式下都表現出優異的性能。

圖3. (a) EC玻璃在陽光直射下加熱/冷卻模式下的太陽能吸收層溫度；(b)室外實驗時EC玻璃背面太陽能吸收層與周圍環境的溫差

為了評估EC玻璃在建筑中的節能性能，作者利用Energy Plus軟件模擬了當EC玻璃應用于商業建筑天窗時HVAC系統每年的節能效果。作者從不同氣候帶中選擇了15個具有代表性的城市進行年度HVAC節能分析，如圖4(a)所示，這些城市的年HVAC節能超過25%，大多數城市的節能量大于50 MJ/m2。作者還選擇了典型的夏季炎熱、冬季寒冷氣候的北京，對一年中不同月份的建筑HVAC能耗進行了分析，仿真結果如圖4(b)所示，全年12個月HVAC能耗均降低，節能率顯著。

圖4. (a)在15個不同氣候帶城市EC玻璃應用于建筑天窗的節能效果圖 (b)北京12個月采用EC玻璃實現的冷暖能耗

結論與展望

綜上所述，開發的雙模式動態EC玻璃可實現太陽和中紅外光譜的雙向動態調制，炎熱天氣（輻射冷卻模式）下，施加電壓使銀沉積，玻璃表面朝外，太陽反射率87.9%、MIR發射率90.6%，反射太陽輻射并高效散熱；在寒冷天氣（太陽能加熱模式）下，去除電壓使銀溶解，ITO表面朝外，太陽透過率61.2%、MIR發射率10.8%，透過太陽輻射并減少熱量流失。具有良好穩定性和熱管理能力，應用于建筑可大幅節省HVAC能源，是全球不同氣候地區智能窗的有效選擇。可進一步優化EC玻璃結構和制備工藝，提高性能和穩定性；探索更多應用場景，如建筑幕墻等；研究與其他節能技術的結合，實現更高效的建筑節能。該研究為建筑節能提供了有效解決方案，減少了建筑能耗和碳排放，有助于實現碳中和和可持續發展，對智能窗技術的發展有重要推動作用。

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