【研究摘要】

电致变色器件是构建零能耗建筑的重要技术，它可以让建筑更好地利用太阳能并控制辐射热，从而提供出色的制热和制冷效果。最近，杜克大学的Po-Chun Hsu教授团队成功制备了一种新型的柔性超宽带透明导电电极（UWB-TCE）。这种电极的电阻很低(Rs = 22.4 ohm/sq)，光学透射率却很高(TUV-vis = 85.63%， Tnear-IR = 87.85%， Tmid-IR= 84.87%)，使得它成为实现电致变色器件的理想选择。这种器件不仅能够协同管理太阳能和辐射热，而且它的发射率还可以在0.12到0.94的范围内变化。

这项技术的出现，为UWB-TCE和双频太阳能以及中红外电致变色器件的应用开辟了广阔的前景。无论是在建筑的热管理、伪装技术，还是在显示和能效方面，它们都将发挥巨大的作用，为我们的生活带来更多便利和效益。

研究成果以《Ultra-Wideband Transparent Conductive Electrode for Electrochromic Synergistic Solarand Radiative Heat Management》为题发表在世界知名期刊ACS Energy Letters上。

【研究背景】

随着全球气候持续变暖，如何更有效地管理热量，同时减少化石燃料的使用，已成为科研人员关注的重点。在美国，住宅用电占到了总电量的37%以上，而其中，仅仅是用来控制室内温度的电能，就占到了全国能源消耗的15%以上。因此，如何更环保、更高效地调节室内温度，就显得尤为重要。太阳能采暖和辐射制冷，是目前两种最被看好的可持续方法。经过多年的理论研究和实验验证，太阳能加热技术已经发展得相当成熟，并在商业上取得了成功。近年来，光子工程领域又取得了新的突破，科研人员成功研发出了能在中红外大气窗口中产生高太阳反射率和高发射率的材料，实现了亚环境日间辐射冷却。这些创新性的研究不仅提升了技术的适用性，还提高了成本效益，并带来了系统级的创新。

太阳能加热和辐射冷却虽然都可以帮助我们节省能源，但它们的单一功能可能限制了它们的广泛应用。在美国大部分地区以及世界上许多主要城市，由于季节性的变化，每年或每个月甚至每天的最佳热管理模式都是不同的。为了实现未来净零能耗建筑的目标，理想的建筑围护结构应该具备灵活调整其光学和热性能的能力。这意味着，它应该能够根据环境条件、居住者的需求和电力供应等不同的参数来自动调整，以确保最佳的热管理效果。

为了创建可以在太阳能加热和辐射冷却之间切换的智能建筑围护结构，该设备必须在相当宽的带宽范围内进行调谐:从紫外线(波长~ 300 nm)到中红外(中红外，环境热辐射~ 25 μm或大气窗口~ 14 μm)。理想情况下，低太阳吸收率和高热发射率在辐射冷却状态下工作，高太阳吸收率和低热发射率工作导致太阳加热。电致变色器件(ECDs)是一种很有前途的技术，用于净零能耗建筑的智能建筑围护结构。从基础材料和光子科学到系统级现场测试和商业化，各个方面都取得了实质性进展。特别是，在过去的十年中，金属和氧化物基ECD作为智能窗户都显示出令人兴奋的性能和功能，聚合物基ECD因其颜色选择的多样性和灵活性而具有吸引力。然而，可调谐的波长范围主要是太阳光谱，中红外调谐的优势被忽视了。另一方面，已经报道了专门为中红外设计的ECDs，但没有考虑太阳热增益调制。事实上，实现宽带和反发射率调制的挑战并不简单。大多数开创性作品虽然具有独创性和启发性，但其光学性质组合并不理想，即在辐射冷却状态下热辐射率低，或在太阳加热状态下热辐射率高。最近报道了一种卷对卷装置，通过机械地移动加热/冷却膜并产生可逆的热接触，能够有效地在太阳能加热和亚环境日间辐射冷却之间切换然而，工作原理涉及到活动部件，可能需要进一步研究才能在建筑物中广泛应用。

【研究内容】

基于以上，研究人员成功地展示了一种基于石墨烯的UWB-TCE，用于电致变色协同太阳能和辐射热管理。它可以通过调整表面等离子体共振的电沉积形态，轻松地在太阳加热模式和辐射冷却模式之间切换。在太阳加热模式下，它能够高效吸收太阳能而减少热辐射；而在辐射冷却模式下，它则能减少太阳吸收并增强热辐射。这两种模式的最佳太阳吸收率和热辐射率已经得到了精确测定。太阳加热和辐射冷却模式的最佳太阳吸收率(α)和热辐射率(ε)分别为(α， ε) =(0.60, 0.20)和(0.33,0.94)。

【图文详解】

超宽带透明导电电极(UWB-TCE)用于电致变色协同太阳能和辐射热管理。(a)太阳能和辐射动态热管理装置的理想吸收率/发射率光谱对加热和冷却模式的要求正好相反。(b)要在太阳能加热和辐射冷却之间切换，TCE必须对太阳辐射和中红外辐射都是透明的，同时具有高导电性。(c)建议的超宽频- tce示意图。单层石墨烯为电荷传输提供了均匀的局部电导，而金微电网负责远距离电导，只有最小的透射率阴影损失。

超宽带透明导电电极及其特性。(a) UWTCE和其他类型TCE在0.2 ~ 20 μm范围内的宽带透射光谱。(b)在UV - vis, NIR和MIR波长下，薄片电阻与透射率的TCE性能。(c)电极上不同层石墨烯的拉曼光谱。(d)电极上不同层石墨烯的UV - vis, NIR和MIR透射率。(e)弯曲半径为1cm的循环弯曲试验。

通过UWB-TCE和金属基电致变色实现辐射热管理。(a)红外电致变色器件原理图。由于UWB-TCE的宽带透射率，其发射率取决于冷却/加热模式下的底层电解质/金属。(b)设备在冷却和加热模式下的热图像和(c)发射率光谱。(d)冷却和加热状态与循环的加权平均发射率。(b−d)加热状态下沉积电荷密度为125 mC/cm2。(e)在不同发射率(λ = 10 μm)下控制器件。发射率为0.1、0.4和0.7时，沉积电荷密度分别为125、60和35 mC/cm2。计算得到的辐射换热系数以次y轴表示。(f)用保护加热器法在环境室中测量的总传热系数

太阳能和中红外辐射协同热管理的实验演示。(a)电致变色器件工作原理示意图。发射率由UWB-TCE下的层决定，太阳反射率由剥离状态下的银背反射器和涂覆状态下的银纳米粒子决定。(b)冷却和加热状态下设备的可见光(下一行)和红外(上一行)图像。冷却模式表现为一个高发射率的太阳能反射器，加热模式表现为一个低发射率的太阳能吸收器。(c) SEM图像和(d)太阳和中红外吸收/发射率光谱。(e)不同电荷密度下UWB-TCE薄膜上沉积金属的加权平均吸收率/发射率。(f)冷却和加热状态下装置的太阳吸收光谱和红外发射光谱。以0.5 nm厚度Pt (g)和0.75 nm厚度Pt (h)的循环控制装置，在加热和冷却状态下的太阳吸收率(λ = 550 nm)和红外发射率(λ = 10 μm)。在加热状态下，b、f、g和h面板的电沉积电荷密度为75 mC/cm2。