[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出了一种广泛可调的智能玻璃系统，采用超薄GeTe薄膜，该薄膜为可逆相变材料，可在非晶态与晶态之间切换，以调节近红外（NIR）吸收，同时保持高可见光透过率和中性色彩。该系统通过透明加热器实现亚毫秒级开关速度，高效实现热辐射下转换为远红外辐射，实现被动加热，并作为低辐射涂层，显著降低全年热传递，提升建筑的全年能效。

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.

研究动机与目标

• 开发一种智能窗户，通过可调光学性能动态调节季节性太阳得热。
• 解决固定性能材料在季节性需求下难以有效吸收或反射太阳辐射的局限性。
• 在实现强近红外（NIR）辐射调制的同时，保持中性色彩和高可见光透过率。
• 在玻璃基底上集成透明电加热器，实现快速、低功耗的开关控制。
• 展示双重功能：既是热响应开关，又是低辐射（低e）热绝缘层。

提出的方法

• 智能玻璃采用在玻璃基底上沉积的100 nm厚GeTe薄膜，利用其双稳态的非晶态与晶态实现可逆光学开关。
• 通过直接集成在玻璃上的透明氧化铟锡（ITO）加热器实现电致相变，实现亚毫秒级开关速度。
• 通过在高NIR吸收的晶态与低NIR吸收的非晶态之间切换GeTe，实现光学调制。
• 系统利用吸收的NIR光子下转换为远红外（FIR）辐射，该辐射被保留在建筑内部用于加热。
• 两种相态下可见光透过率均保持在70%以上，确保中性色彩和视觉舒适性。
• 薄膜在两种相态下均保持低辐射特性，从而在冬季供暖和夏季制冷季节均减少辐射热传递。

实验结果

研究问题

• RQ1 超薄GeTe相变薄膜能否在保持可见光透明度和中性色彩的前提下，实现近红外（NIR）透射的广泛可逆调节？
• RQ2 该相变薄膜能否高效地将吸收的NIR辐射转化为远红外（FIR）辐射，以实现被动建筑供暖？
• RQ3 在集成透明加热器的玻璃系统中，电驱动相变的开关速度和能效如何？
• RQ4 薄膜的低辐射特性如何提升建筑围护结构的全年热性能？
• RQ5 该系统能否实现适用于实际智能窗户应用的实用、快速且可逆的开关性能？

主要发现

• GeTe薄膜在非晶态与晶态之间实现超过80%的近红外调制深度，显著控制太阳得热。
• 两种相态下可见光透过率均保持在70%以上，确保中性色彩和视觉清晰度。
• 通过透明ITO加热器实现亚毫秒级开关，可快速响应环境变化。
• 薄膜高效地将吸收的NIR辐射下转换为远红外（FIR）辐射，该辐射被保留在建筑内用于供暖。
• 该系统在两种相态下均表现出低辐射特性，减少辐射热传递，全年提升热绝缘性能。
• 可调NIR控制、被动加热与低辐射性能的结合，使该系统成为高效节能且外观适宜的智能玻璃解决方案。