10
2019
05

门电压调控二氧化钒相变实现高性能智能窗

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二氧化钒(VO2)是很有前景的智能窗材料,当屋子冷的时候,窗户会变得透明,可见光和红外线进来加热;当屋子的温度上升后,窗户就会自动反射红外线以阻挡热量进入。

  对于智能窗来说,“智能”无疑是其中最为关键的部分,如何更加精确感知温度的变化,调节二氧化钒光能的透过,这是科学家非常关注的问题。经过不断尝试,科学家发现,往二氧化钒中加入氢原子可以驱动它在绝缘体和导体的状态变化,带来光能透过的变化,从而起到智能控制室内温度的效果。

  然而,这个方法的实际制备成本却非常高昂。这是因为氢原子的加入需要在高温条件下用铂或金等贵金属来催化产生氢原子,然后再进行高能量的氢原子注入。而且,理论上二氧化钒的状态转变仅能够调控红外光透射率的15%以下,可见光的透射率也少于60%,并不能完全满足实际需求。

  近日,中国科学技术大学邹崇文副教授与江俊教授所领导的团队,就解决了这个问题。他们利用所发展的质子-电子共掺杂策略,把酸的“腐蚀”效果巧妙地变成了往二氧化钒中加入氢原子的驱动力,获得了非常廉价的智能窗材料,还打破了传统二氧化钒材料的光学透过率调控的理论极限。

  科研人员发明了一种“质子-电子共掺杂”的策略,可以利用廉价的酸溶液里面的质子,实现低成本和低能耗的“化腐蚀为加氢”的效果。质子是带有正电荷的氢原子,是便宜的氢原子来源,而问题在于正电荷会破坏二氧化钒材料的结构,造成腐蚀后果。

  他们基于理论预测,发现可以先把电子注入到二氧化钒材料中,这样带正电的质子非但不会腐蚀已经积累了负电荷的材料,反而会在正负电荷吸引的驱动下穿透进入材料,摇身一变形成加了氢原子的抗腐蚀“铠甲”。而且理论研究也发现,不同浓度氢原子的进入会让材料的电子结构发生变化,从绝缘体突变为导体甚至形成另一种新的绝缘体。

  他们因此发展了电场调节的技术,根据计算获得的加入不同浓度氢原子的能量要求,以不同的电压驱动材料加氢。最终他们成功开发了一种在室温下利用固态电解质施加很低的正反向偏压就能够可逆的调控加氢浓度的二氧化钒材料,它对太阳光谱中红外光的调制能力达到了26.5%,并且实现了高达70%以上的可见光透过率。

  这一结果与以往二氧化钒热致变色和电致变色智能窗的商用产品和前人结果相比,表现较为突出,突破了传统二氧化钒温控智能窗红外调控能力的理论极限。

 通过这项研究,他们实现了一种极低能耗和低成本的氧化物半导体材料加氢策略,对功能材料的改性优化具有重要意义。所开发的高性能二氧化钒智能窗材料,既能够大范围调控光能透过性,又能满足室内采光要求,而且其低成本的优势也大幅度提高了“智能窗”应用可能性。

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