杜克大学徐伯钧课题组ACS Energy Letters: 可见红外超宽带透明电极帮助实现对建筑物的热管理，冬暖夏凉

研究背景

2020 年，空间供暖和制冷约占美国建筑能耗的 40%，而这其中，80% 的能源来自不可再生能源。如果这一问题能够得到缓解，当前的能源危机和全球变暖就都能够得到缓解。此前，徐伯钧课题组已经通过机械的方法实现了两种辐射模式（制冷和制热）的调控，使得建筑物在全美各州都能实现冬暖夏凉的节能（https://www.nature.com/articles/s41467-020-19790-x.pdf）。但是，该装置需要安装马达，而且只有两种固定的制冷和制热的状态，所以有体积过大以及无法连续调控制冷制热强度的问题。

成果简介

杜克大学徐伯钧教授课题组首次通过电化学的方式来实现对可见光和红外辐射的同步调控，以达到制冷和制热的状态。通过制备高电导率超宽带的透明电极，背面镀有银反射面的电致变色器件能够实现连续的制冷/制热状态的调节。他们设计并展示了一种在 0.2~20 µm 波长范围内具有低薄层电阻和高透光率的超宽带透明导电电极 (UWB-TCE)，以允许底层活性材料通过以下方式充分执行其太阳能/辐射热管理改变电化学电位，并以 UWB-TCE 作为工作电极，展示了使用 Ag-Cu 溶液作为电致变色材料系统的等离子体 ECD。仅对于中红外辐射调谐，ECD 可以在 0.12 和 0.94 之间改变其发射率。此外，超宽带透射率可以通过控制等离子体吸收在太阳能加热和辐射冷却之间进行改变。太阳能加热和辐射冷却模式的太阳能吸收率 (α) 和热辐射率 (ε) 分别为 (α, ε) = (0.60, 0.94) 和 (0.33, 0.20)。上述成果以“Ultra-Wideband Transparent Conductive Electrode for Electrochromic Synergistic Solar and Radiative Heat Management”为题发表在知名期刊ACS Energy Letters上。

图文导读

图一：用于电致变色协同太阳能和辐射热管理的超宽带透明导电电极 (UWB-TCE)

(a)协同太阳能和辐射动态热管理装置的可见光吸收及红外发射光谱对加热和冷却模式的要求。(b)为了在太阳加热和辐射冷却之间切换，透明电极（TCE）必须对太阳和中红外辐射都是透明的，同时具有高导电性。(c)超宽带透明电极(UWB-TCE)，单层石墨烯为电荷传输提供均匀的局部电导，而金微网负责远程电导，只有最小的透射率阴影损失。

图二：超宽带透明导电电极 (UWB-TCE)的特性

(a) UWB-TCE和其他透明电极在0.2~20 μ m波段的透射谱图。(b)在UV-Vis, NIR和MIR波长范围内，薄膜电阻与透过率的性能。(c)含有不同层数石墨烯透明电极的拉曼光谱图。(d) 含有不同层数石墨烯透明电极的UV-Vis、NIR、MIR透过率。(e)弯曲半径为1cm的循环弯曲试验。

图三：通过 UWB-TCE 和基于金属的电致变色实现的辐射热管理

(a)红外调节电致变色器件原理图。由于UWB-TCE的宽频透光率，其发射率在冷却和加热模式下由底层电解质/电镀金属决定。(b)冷却和加热模式下器件的热图像和(c)发射率光谱图。(d) 循环状态中的冷却和加热模式时的红外发射率 (e)在不同发射率(λ = 10µm)下控制器件。当发射率为0.1、0.4和0.7时，沉积电荷密度分别为125、60和35 mC/cm²。(f) 在冷却和加热模式下计算得到的辐射换热系数。

图四：协同太阳能和中红外辐射热管理的实验演示

(a)可见光及红外辐射协同调节电致变色装置工作原理图。 (b)器件在冷却和加热状态下的可见(底部)和红外(顶部)图像。冷却模式表现为红外高发射率及太阳光反射，加热模式表现为红外低发射率及太阳光吸收。(c) 不同电荷密度下沉积的金属SEM图像，(d)可见光和中红外辐射的吸收与发射光谱。(e) UWB-TCE薄膜上沉积金属在不同电荷密度下的加权平均吸收率与发射率。(f)器件在冷却和加热状态下的太阳吸收光谱和红外发射光谱。(g) 通过控制装置，冷却和加热状态下的几个周期。(h) 循环状态中的冷却和加热模式时的红外发射率与可见光吸收率。

小结

（1）该研究首次利用石墨烯和聚乙烯薄膜制备出高电导率的，同时对于可见光和红外辐射都透明的电极。

（2）以此透明电极为基础，实现了稳定的，超高范围（Δε=0.82）的中红外发射率的调控。

（3）实现了太阳能和中红外的协同调控，从而达到dual-mode的热管理切换（制冷和制热）。可以帮助建筑物在全球范围内节省空调能耗。

文章来源：

Rao, Y.; Dai, J.; Sui, C.; Lai, Y.-T.; Li, Z.; Fang, H.; Li, X.; Li, W.; Hsu, P.-C., Ultra-Wideband Transparent Conductive Electrode for Electrochromic Synergistic Solar and Radiative Heat Management. ACS Energy Letters 2021, 3906-3915. (https://doi.org/10.1021/acsenergylett.1c01486)

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