杜克大學徐伯鈞課題組ACS?Energy Letters: 可見紅外超寬帶透明電極幫助實現對建筑物的熱管理，冬暖夏涼

研究背景

2020 年，空間供暖和制冷約占美國建筑能耗的 40%，而這其中，80% 的能源來自不可再生能源。如果這一問題能夠得到緩解，當前的能源危機和全球變暖就都能夠得到緩解。此前，徐伯鈞課題組已經通過機械的方法實現了兩種輻射模式（制冷和制熱）的調控，使得建筑物在全美各州都能實現冬暖夏涼的節能（https://www.nature.com/articles/s41467-020-19790-x.pdf）。但是，該裝置需要安裝馬達，而且只有兩種固定的制冷和制熱的狀態，所以有體積過大以及無法連續調控制冷制熱強度的問題。

成果簡介

杜克大學徐伯鈞教授課題組首次通過電化學的方式來實現對可見光和紅外輻射的同步調控，以達到制冷和制熱的狀態。通過制備高電導率超寬帶的透明電極，背面鍍有銀反射面的電致變色器件能夠實現連續的制冷/制熱狀態的調節。他們設計并展示了一種在 0.2~20 μm 波長范圍內具有低薄層電阻和高透光率的超寬帶透明導電電極 (UWB-TCE)，以允許底層活性材料通過以下方式充分執行其太陽能/輻射熱管理改變電化學電位，并以 UWB-TCE 作為工作電極，展示了使用 Ag-Cu 溶液作為電致變色材料系統的等離子體 ECD。僅對于中紅外輻射調諧，ECD 可以在 0.12 和 0.94 之間改變其發射率。此外，超寬帶透射率可以通過控制等離子體吸收在太陽能加熱和輻射冷卻之間進行改變。太陽能加熱和輻射冷卻模式的太陽能吸收率 (α) 和熱輻射率 (ε) 分別為 (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”為題發表在知名期刊ACS Energy Letters上。

圖文導讀

圖一：用于電致變色協同太陽能和輻射熱管理的超寬帶透明導電電極 (UWB-TCE)

(a)協同太陽能和輻射動態熱管理裝置的可見光吸收及紅外發射光譜對加熱和冷卻模式的要求。(b)為了在太陽加熱和輻射冷卻之間切換，透明電極（TCE）必須對太陽和中紅外輻射都是透明的，同時具有高導電性。(c)超寬帶透明電極(UWB-TCE)，單層石墨烯為電荷傳輸提供均勻的局部電導，而金微網負責遠程電導，只有最小的透射率陰影損失。

圖二：超寬帶透明導電電極 (UWB-TCE)的特性

(a) UWB-TCE和其他透明電極在0.2~20 μ m波段的透射譜圖。(b)在UV-Vis, NIR和MIR波長范圍內，薄膜電阻與透過率的性能。(c)含有不同層數石墨烯透明電極的拉曼光譜圖。(d) 含有不同層數石墨烯透明電極的UV-Vis、NIR、MIR透過率。(e)彎曲半徑為1cm的循環彎曲試驗。

圖三：通過 UWB-TCE 和基于金屬的電致變色實現的輻射熱管理

(a)紅外調節電致變色器件原理圖。由于UWB-TCE的寬頻透光率，其發射率在冷卻和加熱模式下由底層電解質/電鍍金屬決定。(b)冷卻和加熱模式下器件的熱圖像和(c)發射率光譜圖。(d) 循環狀態中的冷卻和加熱模式時的紅外發射率 (e)在不同發射率(λ = 10μm)下控制器件。當發射率為0.1、0.4和0.7時，沉積電荷密度分別為125、60和35 mC/cm²。(f) 在冷卻和加熱模式下計算得到的輻射換熱系數。

圖四：協同太陽能和中紅外輻射熱管理的實驗演示

(a)可見光及紅外輻射協同調節電致變色裝置工作原理圖。 (b)器件在冷卻和加熱狀態下的可見(底部)和紅外(頂部)圖像。冷卻模式表現為紅外高發射率及太陽光反射，加熱模式表現為紅外低發射率及太陽光吸收。(c) 不同電荷密度下沉積的金屬SEM圖像，(d)可見光和中紅外輻射的吸收與發射光譜。(e) UWB-TCE薄膜上沉積金屬在不同電荷密度下的加權平均吸收率與發射率。(f)器件在冷卻和加熱狀態下的太陽吸收光譜和紅外發射光譜。(g) 通過控制裝置，冷卻和加熱狀態下的幾個周期。(h) 循環狀態中的冷卻和加熱模式時的紅外發射率與可見光吸收率。

小結

（1）該研究首次利用石墨烯和聚乙烯薄膜制備出高電導率的，同時對于可見光和紅外輻射都透明的電極。

（2）以此透明電極為基礎，實現了穩定的，超高范圍（Δε=0.82）的中紅外發射率的調控。

（3）實現了太陽能和中紅外的協同調控，從而達到dual-mode的熱管理切換（制冷和制熱）。可以幫助建筑物在全球范圍內節省空調能耗。

文章來源：

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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