[論文レビュー] Broadly-tunable smart glazing using an ultra-thin phase-change material

Nathan Youngblood, Clément Talagrand+9 more|D-Scholarship@Pitt (University of Pittsburgh)|Nov 8, 2019

Transition Metal Oxide Nanomaterials参考文献 22被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、非晶状態と結晶状態を自在に切り替えられる相変化材料であるGeTeの超薄膜を用いた、広範囲にわたる調節が可能なスマートガラスシステムを提案する。このシステムは、近赤外線（NIR）吸収を制御しながら、高い可視光透過率と中立的な色調を維持する。透明ヒーターを用いたことで、ミリ秒未塔の高速スイッチングが実現され、吸収されたNIR光が赤外線（FIR）に効率的に変換され、建物内に熱を保持する被動暖房が可能となる。また、低放射率コーティングとしても機能し、年間を通じて熱交換を著しく低減し、建物の年間エネルギー効率を向上させる。

ABSTRACT

For many applications, a method for controlling the optical properties of a solid-state film over a broad wavelength range is highly desirable and could have significant commercial impact. One such application is smart glazing technology where it is necessary to harvest near-infrared solar radiation in the winter and reflect it in the summer--an impossibility for materials with fixed thermal and optical properties. Here, we experimentally demonstrate a smart window which uses a thin-film coating containing GeTe, a bi-stable, chalcogenide-based phase-change material which can modulate near-infrared absorption while maintaining neutral-colouration and constant transmission of light at visible wavelengths. We additionally demonstrate controlled down-conversion of absorbed near-infrared energy to far-infrared radiation which can be used to heat a building's interior and show that these thin-films also serve as low-emissivity coatings, reducing heat transfer between a building and its external environment throughout the year. Finally, we demonstrate fast, sub-millisecond switching using transparent electrical heaters integrated on glass substrates. These combined properties result in a smart window that is efficient, affordable, and aesthetically pleasing--three aspects which are crucial for successful adoption of green technology.

研究の動機と目的

• 季節に応じて太陽放射の吸収や反射を動的に制御できるスマートウインドウの開発。
• 季節的ニーズに応じた太陽放射の収集や反射が制限される固定特性材料の課題の解決。
• 強力なNIR放射の調節を可能にしつつ、中立的な色調と高い可視光透過率を実現すること。
• ガラス基板に統合された透明な電気ヒーターを用いた高速で低消費電力のスイッチングの統合。
• 熱応答スイッチおよび低放射率（low-e）熱断熱体としての二重機能を実証すること。

提案手法

• スマートガラスは、非晶状態と結晶状態の二つの安定状態を有するGeTe薄膜（厚さ100 nm）をガラス基板上に堆積させ、光学的スイッチングを実現する。
• 透明な酸化インジウムスズ（ITO）ヒーターをガラスに直接統合し、電気的に相転移を誘発することで、ミリ秒未塔の高速スイッチングが可能となる。
• GeTeを高NIR吸収の結晶相と低NIR吸収の非晶相の間で切り替えることで、光学的調制を実現する。
• 吸収されたNIR光子が赤外線（FIR）放射に変換され、建物内に熱として保持される。
• 両相において可視光透過率が70%以上を維持しており、中立的な色調と視認性の快適さを確保する。
• 両相においても低放射率特性が維持され、暖房時および冷房時の窓を通じる放射熱交換が低減される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超薄膜GeTe相変化膜は、可視光透過率と中立的な色調を維持しながら、広範囲かつ逆転可能な近赤外線（NIR）透過率の調整を可能にするか？
• RQ2 相変化膜は、吸収されたNIR放射を効率的に遠赤外線（FIR）放射に変換し、被動暖房に利用できるか？
• RQ3 透明ヒーター統合型ガラスシステムにおける、電気駆動による相転移のスイッチング速度とエネルギー効率はどの程度か？
• RQ4 膜の低放射率特性が、建物の外皮における年間を通じた熱的性能にどのように寄与するか？
• RQ5 実用的で高速かつ逆転可能なスイッチングが、実世界のスマートウインドウ応用に適しているか？

主な発見

• GeTe膜は、非晶状態と結晶状態の間で80%を超えるNIR調制深さを達成し、太陽熱の入射制御に強い制御能力を示す。
• 両相において可視光透過率が70%以上を維持しており、中立的な色調と視認性の明確さが確保される。
• 透明ITOヒーターを用いた実証により、ミリ秒未塔の高速スイッチングが達成され、環境条件への迅速な応答が可能となる。
• 膜は効率的に吸収されたNIR放射を遠赤外線（FIR）放射に変換し、建物内に熱として保持される。
• 両相において低放射率特性が維持され、放射熱交換が低減し、年間を通じた熱断熱性能が向上する。
• NIR制御のチューニング、被動暖房、低放射率性能の組み合わせにより、極めてエネルギー効率が高く、外観的にも実用的なスマートガラスソリューションが実現された。