基于溶液加工n型掺杂透明有机导体的高性能快速切换黑色电致变色窗体的研究

《Nature Communications》：Robust fast-switching black electrochromic windows based on solution-processed n-doped transparent organic conductor

针对电致变色窗体在切换速度、色彩中性及耐久性方面的技术瓶颈，本研究开发了基于n型掺杂聚苯并二呋喃二酮（n-PBDF）的溶液加工有机导体材料。通过三元溶剂墨水配方与超声喷涂技术，实现了大面积均匀成膜，其黑色电致变色电极在加速老化测试（768小时光照/65°C/50%湿度）下性能无衰减，切换时间<2秒，循环稳定性>20,000次。该技术为建筑节能窗体提供了可规模化制备的高性能解决方案，模拟显示其在过渡气候区可显著降低暖通空调能耗（年节约15–55 MJ/m2）。

　　

论文解读

随着全球对建筑节能需求的日益增长，智能窗技术成为研究热点。电致变色（Electrochromic, EC）窗体能够通过外加电压动态调节透光率，实现太阳辐射的智能管理，从而降低建筑能耗。然而，传统无机电致变色材料（如氧化钨）存在成本高、切换速度慢（数秒至数分钟）、难以实现色彩中性灰态等问题。尽管有机电致变色材料因其可溶液加工、色彩丰富等优势受到关注，但其在长期户外环境（如紫外线、高温、湿度）下的耐久性不足，尤其黑色有机EC窗体在商业化应用中仍面临严峻挑战。

为解决上述问题，美国普渡大学Jianguo Mei团队在《Nature Communications》发表研究，提出了一种基于n型掺杂聚苯并二呋喃二酮（n-PBDF）的黑色电致变色窗体方案。该材料通过三元溶剂（DMSO/水/乙醇）墨水配方和超声喷涂技术，在常温大气环境下实现大面积均匀成膜，无需添加剂或后处理。n-PBDF电极在可见光区呈现深黑色中性色彩（色度C*<5），切换时间快至0.37秒，且在加速老化测试（模拟户外光照、65°C、50%湿度）中连续暴露768小时后性能衰减不足2%，循环寿命超过20,000次。研究还通过建筑能耗模拟（EnergyPlus）证明，该类窗体在过渡气候区（如芝加哥、旧金山）可显著降低暖通空调能耗（年节约15–55 MJ/m2）。

关键技术方法

研究采用三元溶剂共沉淀法制备n-PBDF墨水，通过超声喷涂在常温下实现大面积均匀成膜；利用紫外光固化固态电解质（PEGMA/TBA-TFSI/HMP）组装电致变色器件；通过光谱电化学测试、电化学阻抗谱（EIS）和加速老化实验（遵循ISO 11341标准）评估性能；结合灰度关联X射线散射（GIWAXS）分析薄膜微观结构；采用积分球测量太阳能热增益系数（SHGC），并基于EnergyPlus软件进行建筑能耗模拟。

研究结果

1. n-PBDF薄膜的可控制备与电学特性

通过优化溶剂比例（DMSO/水/乙醇=1:2:7）和喷涂参数（35–45°C），实现了n-PBDF薄膜的均匀沉积（厚度32–290 nm）。原子力显微镜（AFM）显示薄膜具有连续纳米纤维网络结构，表面粗糙度低至4.0 nm。电导率映射表明大面积薄膜导电均匀（约1390 S/cm），且厚度与电荷密度呈线性关系。

2. 电致变色性能与动力学机制

n-PBDF电极在?0.3 V至+1.0 V电位区间内实现可见光区宽带吸收调制，在750 nm波长处光学对比度达69%。着色态吸收系数（α_c=5.2×10⁵cm^?1）远高于漂白态（α_b=5.2×10⁴cm^?1）。循环伏安（CV）与EIS分析显示，着色过程受扩散控制（b值≈0.78），而漂白过程以电容性为主（b值≈0.96），解释了厚度增加时切换速度的轻微不对称性。

3. 环境耐久性

未封装的n-PBDF薄膜在加速老化测试（768小时）后，紫外-可见-近红外光谱显示近红外极化子吸收略有降低，但傅里叶变换红外光谱（FTIR）未发现化学结构降解。电化学循环测试表明光学对比度衰减<2%，证实其卓越的光热湿稳定性。

4. 器件性能与能耗模拟

以n-PBDF为工作电极、介孔ITO为对电极组装的电致变色器件，在550 nm波长处可实现最低1.8%的透光率（深黑色态），切换时间最快达0.37秒。大面积窗体（80×60 mm²）边缘与中心切换时间差<0.2秒，体现了均匀的电压分布。太阳能热增益系数调制幅度（ΔSHGC）达14%，建筑模拟显示其在中纬度城市具有显著节能潜力。

结论与意义

本研究通过材料设计（n-PBDF的刚性主链与无侧链结构）与工艺创新（三元溶剂喷涂），突破了有机电致变色材料在耐久性、色彩中性及大面积加工方面的瓶颈。n-PBDF窗体兼具快速切换、深黑色中性色彩与超长环境稳定性，为可持续建筑提供了可规模化应用的智能窗解决方案，推动了有机电致变色技术从实验室向实际工程的跨越。