智能窗通过动态调节太阳光透过率，有望兼顾自然采光、室内热舒适与建筑节能。对于电致变色智能窗，如何拓展光谱调控范围并降低运行功耗，是推动其应用的重要研究方向。

  电致变色与热致变色提供了互补的调控方式：前者通过外加电压实现按需调光，后者依靠温度变化实现被动响应。然而，单一电致变色组分的吸收通常集中在特定波段，难以同时实现中性深色与宽谱太阳光调控；热致变色材料则受固有相变温度限制，其响应条件与用户需求未必一致。将两者结合，并建立可控的协同响应，有望进一步提高太阳光调节效率。

  能否利用电致变色层着色后的太阳光吸收，辅助触发热致变色，从而以更低的驱动功耗实现有效的太阳得热调节？

  近日，东华大学王宏志教授、李克睿教授团队联合西班牙巴塞罗那自治大学Jordi Hernando、Gonzalo Guirado及加泰罗尼亚纳米科学与纳米技术研究所Claudio Roscini等研究人员合作，以Synergistic effects in multistate black electro-thermochromic smart windows for energy-efficient modulation of solar heating为题在《Advanced Science》发表研究成果。论文第一作者为吴锡录博士。

研究团队采用颜色互补与氧化还原电位匹配策略，构建了具有可见-近红外吸收能力的三组分紫精电致变色凝胶，并与石蜡微粒/聚乙烯醇热致变色薄膜集成，制备多模态电-热致变色智能窗。着色后的电致变色层通过光热转换产生局部升温，辅助触发石蜡相变，使电致吸收与热致散射协同调节太阳光透过。

复合器件可呈现透明、热致散射、电致近黑色和协同遮蔽四种状态。两层同时激活时，平均可见光透过率低至0.1%，太阳光透过率降至5.4%。在模型箱测试中，复合器件在?0.6 V下实现了与独立电致变色器件在?1.0 V下相近的温升抑制效果，同时将电致变色模块的平均电功率密度由2.36 W m^?2降至0.26 W m^?2，降低约90%。

图1. 多模态电–热致变色智能窗的结构设计与协同工作原理。

一、颜色互补与电位匹配，实现近黑色电致变色

  研究团队选择了还原后分别呈现蓝色、绿色和粉红色的三种紫精分子，通过互补吸收实现近黑色变色。三种分子具有较为接近的还原电位，能够在共同的工作电压范围内被激活，减少因组分变色不同步造成的颜色失衡。其中，桥联双紫精还能够通过分子内自由基配对产生近红外吸收，进一步拓展光谱调控范围，为后续光热协同响应提供基础。

图2. 三种紫精分子的结构、电化学行为及互补吸收特征。

二、从透明到近黑色，兼顾宽谱调光与循环稳定性

  团队将三种紫精引入PMMA基离子凝胶，并夹置于ITO电极之间，构建可逆的电致变色器件。在?1.0 V下，三组分体系显著抑制可见光透过，并对近红外光产生衰减。着色态的明度L*为13.16，色度C*为3.57，支持其低明度、接近中性的近黑色特征。此外，采用ITO-PET基底制备的柔性器件在弯曲状态下仍可实现可逆变色。

图3. 单组分与三组分紫精器件的透射光谱、变色照片及色度变化。

  器件在多个特征波长下均表现出稳定的光学切换，着色和褪色时间约为7-20 s。经过11000次循环后，604 nm处的光学调制幅度仍保留约89%。模拟太阳光、紫外辐照及高低温等老化测试进一步验证了器件的稳定性。

图4. 三组分紫精器件的响应速度、循环稳定性及环境耐受性。

三、电致吸收与热致散射结合，实现四态调光

  在电致变色器件的基础上，团队进一步集成了石蜡微粒/聚乙烯醇热致变色薄膜。低温时，石蜡与聚合物基体的折射率接近，薄膜呈透明状态；升温后，石蜡熔融引起折射率失配，增强光散射，使薄膜转变为乳白色遮蔽状态。通过电压与温度的独立或协同调控，复合智能窗能够呈现透明、热致散射、电致近黑色和协同遮蔽四种状态。协同激活时，平均可见光透过率低至0.1%，太阳光透过率降5.4%，满足采光、隐私保护和太阳光遮蔽等不同需求。

图5. 电-热致变色智能窗的结构、热响应机制及四种光学状态。

四、利用太阳光触发协同响应，降低驱动功耗

  电致变色层着色后，可以吸收太阳光并转化为热量，辅助触发相邻石蜡层的热致散射。在25 ℃环境和模拟太阳光照射下，复合器件在?0.6 V下即可实现这一协同响应，使热致变色层参与太阳光调节。模型箱实验表明，复合器件在?0.6 V下可达到与独立电致变色器件在?1.0 V下相近的温升抑制效果，平均电功率密度则由2.36 W m^?2降至0.26 W m^?2，降低约90%。建筑能耗模拟进一步显示，在设定的模型及控制策略下，该智能窗可使檀香山地区建筑的全年供暖与制冷合计能耗降低约23%，展示了其建筑节能潜力。

图6. 智能窗的光热协同响应、模型箱热调节效果、驱动功耗及建筑能耗模拟。

五、小结

  这项研究通过紫精组分的电位匹配与互补吸收实现近黑色电致变色，并将其光热响应与石蜡相变相结合，构建了兼具四态调光和低功耗运行能力的复合智能窗。其关键在于利用可控的太阳光吸收辅助热致散射，使两类功能层协同参与太阳得热调节，为兼顾自然采光、隐私保护与建筑节能的智能窗提供了设计思路。

  论文信息

  题目：Synergistic effects in multistate black electro-thermochromic smart windows for energy-efficient modulation of solar heating

  期刊：Advanced Science

  第一作者：Xilu Wu（吴锡录）

  通讯作者：Kerui Li（李克睿）、Jordi Hernando、Claudio Roscini、Gonzalo Guirado

  作者单位：东华大学；加泰罗尼亚纳米科学与纳米技术研究所（ICN2）；巴塞罗那自治大学（UAB）；圣路易斯华盛顿大学（WashU）

  原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.77765