调光、调热建筑用智能变色窗的研发

Buildings consume about one third of the total energy annually supplied in the world and their windows consume another one third of their own. It, thus, becomes a crucial topic to save energy by improving window system. One ideal solution to this issue is to employ smart windows that can tune the absorbance of solar irradiation from visible to near infrared lights. However, in China such a technology has not been fully developed yet. We here propose solutions for possible encountering problems and plan to improve this technology and accelerate its industrialization by synthesizing suitable functional materials and solid electrolyte, optimizing the structure of device and designing proper mass-production lines. Meanwhile, we also hope this research can help to set up the national protocols for future smart window products.

建筑物能耗约占世界总能耗的三分之一，其中三分之一是通过建筑窗损失的。因此，如何降低建筑窗造成的能量损失是一个关系到国计民生的课题。一个理想的解决办法是采用具有调光、调热功能的智能变色窗替代传统建筑窗。然而，目前国内缺乏成熟的相关技术。本课题旨在探索和解决大尺寸变色器件产业化过程中可能面临的若干基础性问题和技术问题，通过开发稳定的变色材料和固态电解质，优化器件结构，设计合理的生产路线，最终推动智能变色技术在建筑领域的产业化进程。此外，我们也希望通过该研究项目的实施可为未来智能窗的国家标准制定提供科学依据。

电致变色窗（electrochromic window，ECW）可以智能调节可见光和近红外波段的吸收和透过大大减少了建筑物光热需求而造成的能量损失，从而受到广泛的关注。但目前ECW技术离商品化还有一定距离，本项目的工作主要着眼于商品化过程中需要解决的问题。首先，当下ECW所使用的电致变色材料只能够在可见光和近红外波段智能调节，缺少对紫外波段的应用，使用稀土金属元素掺杂无机变色材料——三氧化钨、在有机变色小分子紫精中间修饰大共轭结构和在有机变色高分子噻吩中引入C—H···π作用力，实现了三类电致变色材料具有荧光调控的双功能特性。此外，传统ECW中使用的液态电解质不可避免会有漏液、挥发和气泡等现象，所以我们开发出了可以应用于ECW中的准固态凝胶电解质，其优异的力学性能还有望在柔性电致变色器件中使用。最后我们设计了一种含有氧化还原对、催化对电极的电致变色器件结构，替代了传统的离子储存层对电极。这种特殊的结构可以满足变色材料高电荷量的需求，从而大幅提高电致变色器件的使用寿命（超过10万次）。本项目拓展了电致变色材料的功能性，开发了可以应用于ECW中的准固态凝胶电解质，最后通过特殊的结构设计大大提高了器件的使用寿命，这些工作有望铺平电致变色技术走向商品化的道路。