基于相变VO2的热致变色智能窗
行业背景
随着传统化石能源的急剧消耗和二氧化碳排放量的显著增加，全球变暖问题日益严重，节能减排已成为当务之急。目前，住宅建筑的能源消耗约占全球能源消耗的30-40%，因此，提高建筑能源效率至关重要。窗户在建筑中通常是能源效率最低的部分，且维护成本高，因此成为建筑节能改进的重点目标。热致变色智能窗户凭借其特定的光谱响应特性，能够选择性地透射、反射和吸收太阳光，在建筑光/热环境舒适度方面起到重要调节作用。高可见光谱透射率对室内照明至关重要，而对紫外和近红外波段的透射率进行动态调节，则可进一步优化室内温度调节性能，以满足建筑在不同季节的制冷和保暖需求。此外，热致变色智能窗户可根据环境温度调节其红外发射率，在大气窗口实现可调节的辐射制冷功率，是下一代节能建筑的研究重点。因此，寻求热致变色窗户能量特性与建筑节能需求之间的平衡，并据此进行光谱特性调制是实现热致变色窗户高效节能的关键。
近日，香港城市大学材料科学及工程学系、功能光子学研究中心和国家贵金属材料工程研究中心香港分中心的雷党愿教授领导的科研团队，对用于智能窗户的相变VO2热致变色涂层的最新研究进展进行了深入分析和总结。他们回顾了相变VO2涂层的研究历程，涵盖了宏观晶体特性、元素掺杂和微纳结构制备技术。此外，他们还探究了使用替代性变色材料来克服VO2的局限性。文章对VO2掺杂策略进行了细致分类，研究了逆核壳结构的太阳能调控能力，并总结了实用的工程方法，为节能智能窗的开发提供了新的见解。该成果以“Phase-Change VO2-Based Thermochromic Smart Windows”为题发表于国际光学顶尖期刊《Light: Science & Applications》期刊上。
研究亮点
该研究团队概述了基于相变VO2的热致变色智能窗户涂层，并借鉴最新的研究成果，采用图1所示的逻辑结构进行总结和介绍。首先，介绍了VO2在在金属-绝缘体转变（Metal-Insulator Transition，MIT）过程中晶体结构的改变及其相应的太阳光谱透射率（图1a）。接着，进一步分析了MIT对VO2热力学、电学和光学特性的影响，并结合图 1b 中的能带结构阐明了影响机理。其次，为了降低VO2的相变转换温度以提高其实用性，通常的做法是引入元素掺杂（图1c）。此外，作者们从结构杂化、核壳微/纳米结构和多层薄膜设计等类别中讨论了VO2制备中的微纳工程方法（图1d），强调了结构效应在提高VO2光谱调制能力方面的作用。最后，他们回顾了基于VO2的热致变色薄膜/涂层的制造方法，并重点强调了薄膜/涂层的制备应满足多功能要求，如高稳定性和可调控的红外发射率，以及可简易大规模制造等，如图1e-1f所示。
图1. 用于智能窗户的VO2基热致变色涂层概览。a)VO2薄膜在可见光和近红外区域的典型光学特性及其相应的晶体结构：低温下为单斜（M）绝缘相，高温下为金红石（R）金属相; b)分子轨道图描述的VO2(M)和VO2(R)的简化能带结构; c)元素掺杂和晶格畸变对VO2热致变色的影响; d)微纳工程用于提高VO2热致变色涂层的性能; e)具有高稳定性的、可调控发射率的多功能VO2; f)VO2基热致变色薄膜/涂层的可控制备方法。
传统核-壳结构方法是增强VO2基薄膜热致变色特性的一种有效策略，如图2a所示，科学家们用四乙氧基硅烷和二甲基十八烷基[3-（三甲氧基硅基）丙基]氯化铵制备了热致变色和疏水核壳VO2@SiO2（VSQ）纳米颗粒。由于局域表面等离激元共振，VSQ纳米颗粒的太阳光调控能力可达15.4%，而可见光透过率仍高达51.5%。但目前关于VO2作为壳层材料的倒置核-壳结构的光学特性研究仍较稀缺，这凸显了当下VO2研究中的一大空白。为解决这一问题，该团队首次进行了倒置核-壳结构的研究。如图2b所示，与传统结构相比，倒置结构在各种材料组合中始终表现出卓越的太阳光调制能力。研究表明，通过结合低吸收特性的核材料（如SiO2）可以进一步提高这些薄膜的太阳光调控能力。如图2c所示，这些核材料的共同特征是折射率低、相对壳厚度超过1.1。与普通结构相比，倒置结构增强了Mie散射效应，从而具有更大的太阳调制潜力。该团队对于倒置结构的研究成果为VO2纳米颗粒的研究提供了新视角，并为增强基于核-壳微/纳结构的VO2性能强化提供了理论指导。
图2. a)VO2@SiO2核心-外壳纳米颗粒的合成过程;b)基于VO2倒置核壳纳米颗粒的薄膜的太阳能调控能力随核材料折射率的变化；c）基于VO2倒置核-壳纳米颗粒的薄膜的太阳能调控能力相对壳厚度的变化，虚线表示了VO2薄片的性能。
具有显著光学特性变化的显色材料被广泛用于调制器件的太阳光谱响应特性，是智能窗户应用中VO2的替代材料之一(图3)。常见的显色材料主要有电致变色、气致变色、机械致变色及光致变色等几类，这些材料分别可由外界电场、气体交换、机械应力和光照等特定刺激进行激活。这些智能显色技术各具优势和挑战。对于它们的光谱响应特性调控的不断创新，是提高智能窗户功能及节能效率的研究重点。该研究还提供了其它显色材料的全面总结，并强调这些材料与VO2集成以增强智能窗户光谱调控功能的潜力，为后续智能窗户的研究提供了更广阔的视角。（来源：LightScienceApplications微信公众号）
图3.显色材料及其刺激方案。a）在25℃下通过施加或消除电压来构建液晶包层光纤；b）水分子的吸附/解吸诱导WO3气致变色；c）机械触发淡黄色DABBF和蓝色自由基之间的平衡创建；d）螺旋体在紫外/可见光照射下的可逆结构转变；e）钙钛矿通过加热或水分的相变。