智能窗的控溫性能展示實圖 ?南京工業(yè)大學供圖

智能窗光強依賴的自適應性能展示實圖 南京工業(yè)大學供圖

你見過這樣的變色窗嗎？可以隨著太陽光的強弱而自動調節(jié)光線強度與色彩的深淺，改善室內采光；還能將酷熱的太陽光直射溫度降低超過9℃；這種智能窗還能實現(xiàn)100%的有效空間利用率……日前，中國科學院院士黃維、南京工業(yè)大學教授秦天石課題組的這一研究成果在線刊發(fā)于《自然—通訊》。

近年來，可動態(tài)調節(jié)透光度、選擇性吸收紫外或紅外波段的智能窗在建筑物、汽車、飛機等領域展現(xiàn)出較大的應用潛力。目前，單片式高度集成的變色智能窗一般是通過side-by-side（并排的，肩并肩的）的方式得以實現(xiàn)。然而，side-by-side集成不能實現(xiàn)100%的有效空間利用率，并且不透明或半透明的光伏層會阻擋部分可見光透過智能窗，從而影響到室內照明。

針對這一問題，南京工業(yè)大學先進材料研究院IAM團隊黃維、秦天石開發(fā)了一種全幅面變色智能窗。據(jù)論文第一作者博士生劉有介紹，傳統(tǒng)的光伏變色窗將不透明光伏層與變色層并排，這樣導致整體的空間利用率很低，并且光伏層部分透光度很低。課題組設計的智能窗，光伏層采用的是他們自主研發(fā)的全透明鈣鈦礦光伏層，而且整體采用的是垂直串聯(lián)的方式，將電極層、光伏層、變色層像三明治一樣的自下而上堆疊，從而實現(xiàn)了100%的有效空間利用率。

更重要的是，課題組設計了一種基于鹵素離子交換的方法，將鈣鈦礦光伏層浸泡在特定的化學溶劑中，根據(jù)浸泡時間的長短來對化學材料中各組分的比例進行調控，從而使得這種光伏層材料實現(xiàn)高達76%的透光率。此外，這種智能窗具有高達96顯色指數(shù)（指色彩的飽和度、保真度）、>30%的平均可見光對比度（即變色前后透光率的差值），以及應對不同太陽輻射強度的高度自適應性。

劉有解釋道，所謂自適應性是指智能窗可根據(jù)不同的太陽光照強度展現(xiàn)出不同深度的顏色，根據(jù)不同天氣自適應調節(jié)室內采光——晴天時，智能窗讓室外的強光透進來少一點，這樣就不刺眼；陰天時，就讓光線完全透進來，滿足室內照明需求。

同時，這種智能窗在紅外光波段也有調節(jié)功能，能對紅外線進行調控。秦天石表示，變色智能窗通過吸收一部分的紅外光，減少紅外光的透入，從而能使室內溫度降低超過9℃，極大降低了室內對空調降溫的能耗需求。

“我們的成果經過10000個工作循環(huán)后，智能窗的平均可見光對比度仍然可以基本維持初始值，證明了智能窗性能是穩(wěn)定的。這一成果將廣泛應用于建筑物、汽車、飛機等領域，在防眩目、護目鏡、視覺頭盔等軍用領域也有廣闊應用前景。”劉有說。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-021-23701-z


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