在應(yīng)對全球氣候變化的背景下，建筑節(jié)能技術(shù)成為減少碳排放的關(guān)鍵領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計(jì)，采暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)（HVAC）占建筑能耗的40%，而傳統(tǒng)窗戶因熱損失嚴(yán)重，貢獻(xiàn)了其中的近60%的能量散失。針對高寒地區(qū)采暖的特殊需求，華中科技大學(xué)胡彬教授與香港中文大學(xué)龍祎教授課題組合作在《Advanced Science》發(fā)表研究成果，利用氫摻雜氧化銦（IHO）薄膜獨(dú)特的電學(xué)特性設(shè)計(jì)了增溫玻璃，其卓越的光學(xué)性能可大幅減少供暖的能耗，并顯著降低碳排放，這種最大限度利用陽光能量的特性，也為需要利用光-熱協(xié)同效應(yīng)來提升性能的場景（如光熱催化）提供了優(yōu)異的窗口材料。

【研究背景】

傳統(tǒng)窗戶玻璃雖然對太陽光譜高透過，但其高發(fā)射率使建筑中的熱能大量散失，尤其在高緯度寒冷區(qū)域，如何控制輻射來保溫的需求更為突出。通過鍍銀的低輻射玻璃通過抑制輻射的熱損失可以一定程度解決這一問題，但這些傳統(tǒng)的低輻射材料也會阻止一部分太陽光譜中用于采暖的近紅外光。研究團(tuán)隊(duì)指出，與廣泛研究的輻射制冷技術(shù)（更適用于低緯度炎熱地區(qū)）不同，高緯度寒冷地區(qū)需要的是兼具高太陽光透射率和低中紅外熱發(fā)射率的增溫玻璃，但目前已有材料性能無法很好滿足這一需求。

圖1 高寒地區(qū)加熱、制冷需求和輻射采暖窗口材料的設(shè)計(jì)原則

【創(chuàng)新內(nèi)容】

為解決這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)基于德魯?shù)吕碚摚―rude's theory），提出通過抑制摻雜氧化物的電子濃度，同時(shí)提升電子遷移率，可以設(shè)計(jì)兼具太陽輻射高透過與低輻射熱損的增溫薄膜材料，基于這一材料設(shè)計(jì)原理，并制備了符合該特性的氫摻雜氧化銦（IHO）玻璃。

圖2 具有最佳光譜特性的增溫窗口材料設(shè)計(jì)原理

合作團(tuán)隊(duì)基于可工業(yè)化的磁控濺射工藝、優(yōu)化的退火工藝，制備具有2.17×1020cm?3電子濃度和98.3 cm2 V?1 s?1的遷移率的IHO玻璃，結(jié)合減反層，展現(xiàn)出83.6%的高太陽光透射率Tsol和0.117的低中紅外熱發(fā)射率εMIR。與商業(yè)低輻射玻璃相比，該增溫玻璃兼具更高的可見光透過率Tvis、更高的紅外光透過率TNIR、更高的中紅外反射率RMIR，以及更高的ξ（Tsol/εMIR），為建筑、汽車、光熱反應(yīng)腔室等封閉空間的保溫提供了優(yōu)異的窗口材料。

圖3 減反增透IHO玻璃的光熱增溫特性

【能效與環(huán)境效益】

能量模擬結(jié)果顯示，在高緯度嚴(yán)寒地區(qū)，安裝這種增溫玻璃的典型建筑可使年采暖能耗降低高達(dá)6.6%，相當(dāng)于每平方米減少20.0kg的二氧化碳排放，例如，在芬蘭坦佩雷，每年每平米可節(jié)省6.4 m3的天然氣消耗，其性能超越了已經(jīng)商業(yè)應(yīng)用的1165種低輻射玻璃。這項(xiàng)技術(shù)為寒冷環(huán)境的可持續(xù)建筑節(jié)能提供了重要途徑。

圖4 增溫IHO玻璃的與商用節(jié)能玻璃的對比及節(jié)能減碳潛力

【展望】

此項(xiàng)無能耗的被動(dòng)輻射增溫玻璃為定制化節(jié)能玻璃設(shè)計(jì)開辟了新思路，特別是在能源需求旺盛的高緯度區(qū)域，具有巨大的應(yīng)用潛力。未來，基于該設(shè)計(jì)思路尋找更低成本的材料，探索在高效光熱利用需求新場景中應(yīng)用的可行性，是推動(dòng)這一技術(shù)發(fā)展的重要內(nèi)容。

論文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202414192