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近日，南京大学能源与资源学院金艳副教授、朱嘉教授团队，在《Nature Communications》期刊发表题为“Solar and thermal dual-band electrochromic windows for energy-efficient buildings”的研究成果。该工作提出了一种基于可逆金属电沉积的太阳-热辐射双波段电致变色窗（STDEC），通过集成动态Cu–Bi基可逆金属电沉积系统与空间旋转结构，可独立调控太阳透射率（ΔT_sol = 52.2%）和长波红外发射率（Δε_LWIR = 0.87）。户外热学测试表明，该窗户在夏季白天较普通玻璃降温高达22.2 °C，冬季夜间则能升温1.5 °C，可实现全球建筑能耗平均节能19.5%，远优于商用low-E玻璃（9.3%）及常规电致变色窗（9.1%），为节能建筑提供了高效、可持续的技术路径。

建筑能耗约占全球能源消费的30%，其中窗户是暖通空调（HVAC）高能耗的关键因素。夏季约62%的室内得热源于透过窗户的太阳辐射（0.38–2.5 μm），冬季44%的热损失则来自其长波红外热辐射（LWIR, 2.5–20 μm）。传统静态玻璃难以兼顾季节性制冷与制热需求差异。而辐射冷却技术虽可被动降温，但其固定光学特性在寒冷季节易致“过度冷却”。动态电致变色调控技术因此备受关注，但传统电致变色窗户在太阳透射率（T_sol）和LWIR发射率（ε_LWIR）之间存在“此消彼长”的权衡。例如，炎热夏季需要高ε_LWIR增强辐射散热，但常伴随高T_sol，反而加剧室内得热。新兴双波段电致变色智能窗虽整合了聚苯胺或液晶材料，仍面临光谱调控幅度有限、双稳态性能差、工作电压高及功耗大等挑战。

1. STDEC窗户的结构及工作原理

STDEC窗户通过可逆金属电沉积与机械旋转协同实现双波段独立调控。器件以双面ITO玻璃为工作电极、铜框为对电极，透明凝胶电解质提供金属离子，并覆有聚乙烯（PE）膜。冬季模式下，窗口保持高太阳透射率（T_sol = 52.24%）及ITO侧低长波红外发射率（ε_LWIR = 0.08），以捕获太阳辐射并抑制热损；夏季模式下，施加–1 V电压驱动Cu–Bi合金均匀沉积，窗口变为黑色不透明态（T_sol降至0.06%），同时旋转使PE侧朝外，利用水性电解质在红外波段的强吸收，该侧ε_LWIR高达0.95，从而同步实现高效遮阳与辐射散热。

图1：STDEC窗户的工作原理与结构

2. 器件光热性能

为优化光谱性能，本工作系统调控了Cu–Bi沉积层质量与ITO电极厚度。其中，Pt 纳米颗粒修饰可促进均匀成核，获得致密沉积形貌，有效抑制咖啡环效应，实现快速光热阻断；ITO厚度则需权衡导电性、红外反射与可见光透过率，优选185 nm厚度兼具低方阻（8 Ω/sq）和高红外反射（>92%），同时维持较高可见光透过率。基于上述优化，窗口实现了高的太阳透射调制ΔT_sol = 52.2%和热发射调制Δε_LWIR = 0.87。

在电致变色性能方面，STDEC窗展现了出色的循环稳定性、快速响应、超低功耗和优异双稳态。经过2000次循环测试，太阳透射率调制幅度仅衰减1%，且耐受紫外辐照及温湿环境应力；着色/褪色分别为13.8 s和6.6 s，双稳态保持时间达36 h，功耗仅3.35 mW/cm²，年耗电占比极低。同时，器件呈颜色中性（C*<10），避免蓝调干扰视觉体验，综合展现了优异的光热调控能力与可靠应用前景。

3. 户外测试热性能

4. 全球建筑能耗模拟

利用EnergyPlus建筑能耗模型，进一步量化了STDEC窗的全球节能潜力。选取全球19个代表不同气候区的城市（涵盖热带极热潮湿至亚北极/北极），以标准中型办公建筑（总面积4982.19 m²，窗墙比33%）为模拟对象。研究结果显示，在极端气候城市（如曼谷），年节能超过80 MJ/m²；在温带与亚热带城市（如南京30.8 MJ/m²），节能率约20.2%。全球平均而言，STDEC窗较普通玻璃可节约年HVAC能耗19.5%，远优于low-E玻璃（9.3%）和标准电致变色窗（9.1%）。换算为碳排放，每栋参考中型办公楼年均减排39.3吨CO₂，且在极热极冷区域减排潜力尤为突出，充分展现了STDEC窗的广泛气候适应性与显著低碳效益。

本研究设计并实现了一种太阳-热辐射双波段电致变色智能窗，该窗户集成了Cu–Bi薄膜的可逆电沉积技术与便捷旋转功能，能够独立和协同地管理太阳与热光谱。其优势包括：实现52.2%的太阳透射调制和0.87的热发射调制，支持全年冬暖夏凉；无需昂贵的红外透明导电电极；可采用溶液法加工，降低成本和碳足迹。该窗可接入物联网系统，提升建筑舒适度。但目前仍需改善运行稳定性、环境耐久性和寿命，未来可通过开发新型电解质、设计米级大尺寸结构（如高导电透明电极、图案化电极或模块化单元）来推进商业化。该工作有望促进智能窗产业化，助力节能低碳的可持续城市发展。

南京大学能源与资源学院金艳副教授、朱嘉教授为文章通讯作者，南京大学博士后陈健、硕士生胡建玮为文章共同第一作者。该工作得到国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、中央高校、江苏省特聘教授等项目的支持，并得到固体微结构物理国家重点实验室、关键地球物质循环前沿科学中心、南京大学科研设施共享中心等平台的大力支持。

论文信息

Jian Chen†, Jianwei Hu†, Banghai Wang, Huajie Zhang, Jie Liang, Peiru Shi, Jia Zhu* and Yan Jin*, Solar and thermal dual-band electrochromic windows for energy-efficient buildings. Nat. Commun. 2026.

https://doi.org/10.1038/s41467-026-75753-8