近日，南科大材料科学与工程系王金龙助理教授团队与合作者在多波段光谱调控电致变色智能窗领域取得多项研究进展，相关成果分别发表于国际期刊Watt和Nano Research。

成果一：透明光伏-电致变色电极垂直设计实现自供电太阳光谱选择性调控

图1.PSC-ECW的结构和调制机理示意图

由于传统电致变色智能窗的运行仍然依赖外部供电，这种以能换能的模式产生的额外电耗，严重影响了其实际的净节能效益。因此，研究团队采用“共用透明ITO电极”策略，将透明宽带隙钙钛矿（MAPbCl₃）太阳能电池与电致变色（W₁₈O₄₉）器件无缝耦合，成功构建出兼具高初始透光率与三波段太阳光谱精准调控能力的自供电电致变色智能窗（PSC-ECW）。在器件中，宽带隙钙钛矿太阳能电池负责吸收紫外光并产生光电压和光电流，以驱动W18O49电致变色层实现透明态与着色态之间的可逆转换。

图2. PSC-ECW的户外测试与节能模拟

如图2所示，所制备器件兼具高透光外观、自供电调控和环境自适应光热管理能力。在低辐照或寒冷环境下，器件保持86.8%的高透光率，保障室内自然采光；在强太阳辐照条件下，则通过吸收紫外光发电并自驱动电致变色，有效降低太阳辐射透过率。随着外界辐照强度和气候条件变化，智能窗可自主匹配并切换至适宜的光学状态，实现按需响应的动态光热管理。同时，该器件具有优异的多波段光谱调控能力，在640nm处可见光调制幅度达43%，在1100nm处近红外调制幅度达57%，兼顾采光控制与隔热需求。

此外，该智能窗系统具有自适应特性，其输出电压随入射光强（0.2至1个太阳光）动态调节，驱动光调制率实现从3.8%到34.9%的阶梯式增长，从而在不同光照条件下实现自动的光学管理。尽管受限于内部阻抗使得响应时间（着色68s，漂白36s）略慢于独立器件，但仍处于实际应用可接受范围内，不影响其功能实现。该智能窗在实际气象条件下的表现具有重要实用价值：在多云时保持86%的高透光率，晴天则自发切换至47%的遮蔽态，且在长期运行中电压始终维持在工作阈值以上，充分证明了其作为全天候智能窗的可靠性。

图3. PSC-ECW的户外测试与节能模拟

研究团队通过户外实测进一步验证，上午光照较弱器件维持漂白态，午间随辐照增强自动切换至有色态以遮挡可见光和近红外光，降温幅度达11.9°C，随后随光强减弱恢复至透明态。根据统计分析显示，智能窗在工作时段内较商用玻璃平均降低室内温度分别达3.5°C（开路）和8.8°C（闭路）（图3）。经全尺寸建筑模型的模拟结果显示，在深圳这样典型的高能耗城市中，该智能窗相较商用玻璃每年可实现145.9MJ m^-2的节能效果（相当于每年每平方米减少40.4kg的CO₂排放），并且得益于其出色的透光率，冬季微小的采暖需求增加对整体能耗的影响可忽略不计。根据对全球范围的六大代表性城市进行评估分析，PSC-ECW在热带地区年节能率超过30%，温带地区高于10%。因此，所构筑的智能窗能够有效降低室内热负荷，具有优异的降温性能、显著的净节能价值和广泛的气候适用性，为绿色建筑节能降碳提供了一种可靠的技术方案。

该成果以“A perovskite solar cell-powered smart window with high initial transparency for tri-band solar spectrum management”为题发表于国际期刊Watt，南方科技大学材料科学与工程系2023级硕士生黄学峰和2022级博士生朱孟晗为论文第一作者，中国科学院院士俞书宏、王金龙为论文共同通讯作者。南方科技大学为论文第一单位。

成果二：电致变色电极串联设计实现太阳光谱选择性调控

 图4. 串联式复合电致变色智能窗的示意图

基于上述成果，研究团队还提出了一种串联式复合电致变色电极设计思路，构筑了NiO/ITO/W₁₈O₄₉（NIW）三明治结构，实现了阳极NiO与阴极W₁₈O₄₉在同一电极上的独立协同工作（图4）。该结构中，底部为多孔NiO纳米片层，中间引入高导电ITO过渡层，顶部覆盖W₁₈O₄₉纳米线网络。开放式层级孔结构保证了电解液能够充分渗透，减少离子扩散阻力；而ITO中间层则显著改善电子传输，降低有效功函数，从而加快电致变色响应。同时，器件可在不同偏压下实现透明、棕色和蓝色等多种光学状态，并对可见光和近红外波段进行协同调制。进一步组装成多模式智能窗器件后，其展现出优异的太阳光调控、热管理和防伪显示能力，证明了该串联结构在高性能多色智能窗中的应用潜力。 

图5. (a) NIW电极串联结构及其导电路径示意图 (b-c) NW和NIW电极在630nm下实时透过率变化 (d) NW和NIW电极的光密度（630nm）与电荷密度曲线 (e) NW和NIW电极的Nyquist图 (f) NW和NIW电极的阴极峰值电流密度与扫描速率平方根的关系图

如图5所示，研究人员还系统探究了NIW电极的光学与电化学行为。与未引入ITO的对照样品NW相比，NIW的响应速度和着色效率均明显提升，说明中间导电层对电子输送具有关键促进作用。电化学阻抗谱进一步表明，NIW的电荷转移电阻更低，Li+扩散更快，验证了其更优异的动力学性能。

图6. (a) 串联式复合电致变色器件在不同状态下的太阳辐照光谱 (b) 串联式复合电致变色器件在不同偏压下可见光、近红外光和整个太阳光谱区域的ΔT (c) 以及相应的光学照片 (d) 用于防伪和隐私保护功能的串联结构电致变色器件在不同电位下的光学照片

研究团队进一步将该电极组装成多模式电致变色器件后，器件在不同偏压下展现出显著的太阳辐射调控能力。如图6所示，器件在2.5V下，阳极NiO参与调制呈现棕色，适合温和遮光模式；在−2V和−2.5V下，阴极W₁₈O₄₉吸收可见光和近红外光，呈现蓝色，可用于冷态和深度遮蔽模式。经热管理测试表明，该智能窗可使模型房间内吸收体温度显著下降，体现出良好的建筑节能应用潜力。此外，本研究还制备了蝴蝶图案器件，其局部独立寻址和多区域颜色编码能力，凸显了在防伪与隐私显示方面的应用价值。

该研究为构建高性能多色智能窗提供了新的材料设计思路，展现出在建筑节能与光学防伪领域的巨大应用潜力。

该成果以“Tandem design of conductivity-enhanced electrochromic electrode for multi-spectra modulation smart window”为题在线发表于国际期刊Nano Research，南方科技大学材料科学与工程系2022级博士生朱孟晗和新材料重大科技设施研究院盛思哲研究助理教授为论文第一作者，中国科学院院士俞书宏、王金龙为论文共同通讯作者。南方科技大学为论文第一单位。

上述工作均得到了国家自然科学基金、深圳市科技计划项目、广东省可持续仿生材料与绿色能源重点实验室、广东省引进创新创业科研团队专项计划、南科大科研启动经费/高水平经费、新基石研究员项目等支持。

论文链接：

Watt：https://doi.org/10.1007/s44503-026-00008-y

Nano Research：https://doi.org/10.26599/NR.2026.94908696

供稿：理学院

主图：丘妍

编辑：任奕霏