论文信息：

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.

论文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202504483

研究背景

建筑能耗占全球总能耗的三分之一以上，其中暖通空调（HVAC）系统消耗超过40%的建筑能源。窗户是建筑能源损失的主要源头，传统窗户作为静态结构，无法动态调节能量传输，导致60%的建筑能量损失。现有电致变色（EC）智能窗主要调控太阳光谱（0.3-2.5 μm），但中红外（MIR，2.5-20 μm）调控能力不足。扩展调控范围至MIR波段，可结合辐射冷却（高MIR发射率）与太阳能加热（高太阳透射率），实现更高效的节能。本文设计了一种基于可逆金属电沉积技术的双模式动态电致变色（EC）玻璃。该玻璃结合银的电沉积/溶解与玻璃面板的机械翻转，实现了太阳光谱和中红外光谱的双向动态调制。

研究内容

作者提出一种结合银电沉积/溶解与玻璃面板机械翻转的双模EC玻璃，实现太阳光谱（0.3-2.5 μm）和MIR光谱（2.5-20 μm）的双向调控；该EC玻璃组件由两片氧化铟锡（ITO）涂层玻璃电极夹银基凝胶电解质组成，其中一片玻璃双面涂覆ITO以形成MIR光谱的内外表面发射率差异，如图1所示。该EC玻璃的动态切换机制为，在炎热天气下为辐射冷却模式，施加-2.5 V电压，银离子还原沉积为纳米颗粒膜，太阳反射率达87.9%，外表面（玻璃）MIR 发射率90.6%，反射太阳辐射并高效散热；在寒冷天气下为太阳能加热模式，机械翻转玻璃并移除电压，银膜溶解，太阳透过率61.2%，外表面（ITO）MIR发射率10.8%，透过太阳辐射并减少热量流失。

图 1.冷却方式(辐射冷却)和加热方式(太阳能加热)可动态切换的EC玻璃结构

该EC玻璃ITO膜厚度的优化是器件设计的关键因素，最佳厚度为ITO膜保持高太阳透射率，同时实现高MIR反射率。如图2(a)和(b)所示，选择190 nm厚度的ITO膜来平衡太阳透过率（可见光78.8%）与MIR反射率（89%），同时降低紫外线透过率（从81.0%降至53.6%），提升抗老化能力。如图2(d)和(e)所示，施加电压状态，银沉积在玻璃表面，太阳光谱平均反射率87.9%，平均透过率0.09%，有效阻挡外部热量进入室内；MIR整体平均发射率90.6%，结合高太阳反射率与高MIR发射率，实现辐射冷却。去除电压状态时，银通过中介过程溶解，太阳光谱平均透过率61.2%，平均反射率19.9%，可有效收集和利用太阳能加热；可见光谱平均透过率78.8%，确保充足采光。根据图2(f)的热成像图可知，玻璃侧在MIR光谱中显示出高发射率，增强热辐射且温度显著升高；ITO膜侧由于其在MIR光谱中的低发射率，削弱热辐射且温度较低。由图2(g)和(h)可知，EC玻璃的电致变色性能响应快30秒内完成着色（透射率从77.4%降至4.9%）和漂白（恢复至初始值），且其1000次循环后透射率保持92.5%，长期运行后反射率保持98%，有着良好的长期稳定性。

图2.EC玻璃的光谱调制能力和电化学性能

(a)太阳透过率与ITO膜厚度的关系；(b)MIR反射率与ITO膜厚度的关系；(c)电镜捕获的ITO膜厚度；(d)加热/冷却模式下太阳反射率和MIR发射率的比较；(e)加热/冷却模式下太阳透过率比较；(f)EC玻璃在加热/冷却模式的红外热成像；(g)EC玻璃的着色-漂白循环稳定性；(h)EC玻璃光学特性对电压的响应；

此外，作者还设计并做了室外实验，评估EC玻璃在室外环境下的温度管理能力。该实验设计为，辐射冷却模式玻璃面朝外+银沉积，背面黑色吸收层模拟建筑吸热；太阳能加热模式ITO面朝外+透明态，吸收层捕获太阳辐射。如图3(a)和(b)所示实验结果为，辐射冷却模式，太阳吸收层温度比环境低1.7 ℃（最大4.5 ℃），有效散热。太阳能加热模式，温度比环境高11.3 ℃（最大16.2 ℃），高效集热。实验结果表明，EC玻璃在真实室外环境中表现出优异的温度管理能力，在辐射冷却和太阳能加热模式下都表现出优异的性能。

图3. (a) EC玻璃在阳光直射下加热/冷却模式下的太阳能吸收层温度；(b)室外实验时EC玻璃背面太阳能吸收层与周围环境的温差

为了评估EC玻璃在建筑中的节能性能，作者利用Energy Plus软件模拟了当EC玻璃应用于商业建筑天窗时HVAC系统每年的节能效果。作者从不同气候带中选择了15个具有代表性的城市进行年度HVAC节能分析，如图4(a)所示，这些城市的年HVAC节能超过25%，大多数城市的节能量大于50 MJ/m2。作者还选择了典型的夏季炎热、冬季寒冷气候的北京，对一年中不同月份的建筑HVAC能耗进行了分析，仿真结果如图4(b)所示，全年12个月HVAC能耗均降低，节能率显著。

图4. (a)在15个不同气候带城市EC玻璃应用于建筑天窗的节能效果图 (b)北京12个月采用EC玻璃实现的冷暖能耗

结论与展望

综上所述，开发的双模式动态EC玻璃可实现太阳和中红外光谱的双向动态调制，炎热天气（辐射冷却模式）下，施加电压使银沉积，玻璃表面朝外，太阳反射率87.9%、MIR发射率90.6%，反射太阳辐射并高效散热；在寒冷天气（太阳能加热模式）下，去除电压使银溶解，ITO表面朝外，太阳透过率61.2%、MIR发射率10.8%，透过太阳辐射并减少热量流失。具有良好稳定性和热管理能力，应用于建筑可大幅节省HVAC能源，是全球不同气候地区智能窗的有效选择。可进一步优化EC玻璃结构和制备工艺，提高性能和稳定性；探索更多应用场景，如建筑幕墙等；研究与其他节能技术的结合，实现更高效的建筑节能。该研究为建筑节能提供了有效解决方案，减少了建筑能耗和碳排放，有助于实现碳中和和可持续发展，对智能窗技术的发展有重要推动作用。

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