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上海硅酸盐所在宽波段光热调控节能窗研究中取得重要进展

编译者:冯瑞华发布时间:May 22, 2024点击量:6236 来源栏目:科技前沿

光热调控材料可以在外场(光、热、电、磁)的刺激下动态改变其材料本征结构,进而带来光学特性发生相应改变,如光学吸收,反射与透过等;此外,利用多种材料的优化组合(多层膜、多组分等)或不同维度的规则排列(光子晶体、超表面等)可进一步优化器件的调光能力来实现辐射热的有效管理。

智能节能玻璃需要根据环境温度、太阳辐射的动态变化实现对其自身能量交换能力的动态响应,这种动态响应要求材料能够在很宽的波长范围内实现多种光学状态的智能切换。在前期的研究中,中国科学院上海硅酸盐研究所曹逊研究员团队以VO2材料为基,研究了多种多层膜调控结构(Matter 2019;Matter 2020)和表面微纳超结构(Nature Communications, 2022),主要以调节近红外光波段能量为主,同时发展了可见光透明、近红外光强吸收的材料体系(Advanced Energy Materials, 2021);接着以WO3材料为基,通过外加电场方式实现可见和近红外双波段区域(太阳辐射)的能量调控(Nature Electronics, 2022;Angew. Chem. Inter. Ed., 2023);进一步研究辐射制冷/加热材料可实现中远红外波段能量的调控,并利用辐射制冷与热电等材料耦合还可以有效提升发电效率(Nature Communications, 2024)。然而对于窗户而言,除了太阳辐射的调控外,吸收热量后的中远红外发射同等重要,进而才能真正实现整个窗户的辐射热管理,达到最佳节能效果。

近期,上海硅酸盐所曹逊研究员与华中科技大学杨荣贵教授等合作,从优化全波段(可见光、近红外、中远红外)光热交换的角度出发,开发出了一种新型电致变色结构,用于窗户的热管理,能够最大限度地利用可见光和近红外光的太阳辐射以及中红外光的辐射冷却。研究团队提出一种基于VO2和WO3薄膜相变实现三态转变的电致变色器件。在这个结构中,Li+能够在不同的外加电压下分别扩散至单斜相的VO2和WO3层,并完成至四方相的LixVO2和立方相的LiyWO3的相转变。其中,四方相LixVO2具有金属相的特性,其折射率快速升高,导致近红外光透过率的剧烈变化;而LiyWO3由于钨离子的还原表现出对可见光和红外部分的吸收,导致透过率快速下降。这两次相变可以实现三种不同的光学状态,从而独立调节可见光和近红外透射率。值得注意的是,在VO2至LixVO2的相转变中,Li+会陷入较深的势垒中,进而阻止Li+的复合,展现出良好的非易失性,维持该电致变色结构的三种光学状态在4小时以上。

此外,研究团队还发现在不同温度气候下,对智能节能窗户内外侧的发射率往往有不同的要求。在建筑全年热管理过程中,夏季室外环境和窗户表面温度比室内高,为了降低制冷能耗,减少热量进入,需要降低室外经窗户向内辐射热量,因此需要在窗户内侧设置低发射率;冬季室外和窗户表面温度比室内低,为了降低制热能耗,减少热量损失,需要降低室内向窗户辐射热量,同样需要在窗户内侧设置低发射率。此外在电致变色结构往往在着色状态呈现较强的光吸收,在光照下,电致变色结构表面温度相较于传统玻璃往往较高对其使用寿命和循环能力有较大影响,因此需要在外表面设置高发射率。研究团队进一步通过优化电致变色结构外侧(εMIR-O为0.89)和内侧(εMIR-I为0.44)电致变色电极的发射率,将室内外环境之间的辐射热交换最小化。(图1)

热交换模拟和实验研究验证了该模型的普适性和有效性。研究团队在上海市和三亚市进行的户外实验表明,在典型晴朗天气下,与传统商用的Low-e窗户相比,这种基于新型电致变色结构的窗户可实现全天持续冷却,最高温度降幅可达14°C (图2)。模拟显示,这种新的电致变色器件在世界上绝大多数气候区域比商用Low-e玻璃具有更高的节能效果(图3)。该发现为创新的智能节能窗户设计提供了巨大机遇,有助于实现全球碳中和和可持续发展。

相关研究成果以“Tri-band electrochromic smart window for energy savings in buildings”为题发表在Nature Sustainability上。上海硅酸盐所博士毕业生邵泽伟、黄爱彬副研究员和博士生曹翠翠为论文共同第一作者。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、ANSO国际合作专项、上海市自然科学基金原创探索等项目的资助和支持。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41893-024-01349-z

图1. 可见-近红外-中远红外优化的电致变色结构设计。(a)理想的电致变色节能窗户的光谱设计;(b)可见-中远红外优化的电致变色结构;(c)电致变色结构的中远红外发射率性能表征;(d)电致变色结构的可见-中远红外光学性能表征。

图2. 户外节能性能测试结果。(a)样品及测试方法照片;(b)不同样品的温度测试实时结果及太阳辐照实时结果;(c)实验样品与Low-e样品的实测温差对比。

图3. 热交换模拟节能性能结果。(a)上海市典型天气下不同月份的能耗结果对比;(b)全球典型天气下全能能耗结果实验样品与Low-e玻璃间差值。

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