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建筑中通过窗户的热能损耗显著影响能源效率，低 ε 涂层等现有技术存在不足。研究人员设计微棱镜阵列片用于节能窗研究。结果显示该窗能依季节调节阳光透射，实现冬暖夏凉，在中纬度地区有节能潜力，为建筑节能提供新方案。
在建筑领域，能源的合理利用一直是备受关注的话题。窗户，作为建筑与外界沟通的重要 “接口”，在热量传递过程中扮演着关键角色。据了解，通过窗户造成的热能损失可高达建筑物总热量损失的 40% ，这无疑对建筑的能源效率产生了巨大的影响。为了实现零能耗建筑的目标，科研人员可谓绞尽脑汁，尝试了各种方法。
传统的节能窗技术，比如低发射率（low - ε）涂层，虽然在一定程度上能够减少热辐射，夏季降低室内温度，冬季留住室内热量，但它也存在明显的短板。低 ε 涂层中的银层会抑制近红外光的透射，随着银层数量的增加，虽然近红外防护能力提升了，可是可见光的透明度却下降了。而且这种 “静态” 的防护在冬季会导致不必要的降温，尤其是在季节气候差异明显的中纬度地区，全年的节能效果大打折扣。
还有一些科研人员把希望寄托在相变材料上，像水凝胶和二氧化钒（VO2）等。水凝胶可以根据环境湿度改变窗户的透明度，二氧化钒能在临界温度下实现绝缘态和金属态的可逆转变，进而调节近红外光的透射。但这些材料也并非十全十美，水凝胶在耐久性、响应时间和成本效益方面还有待提高，二氧化钒的相变温度较高，离室温较远，而且对全太阳光谱（300 - 2500nm）的控制能力有限。
在这样的背景下，来自庆熙大学（Kyung Hee University）、韩国科学技术研究院（Korea Institute of Science and Technology）等机构的研究人员决心另辟蹊径，开展了一项关于全光季节节能窗的研究。他们的研究成果发表在《iScience》上，为建筑节能领域带来了新的曙光。
研究人员开展这项研究的关键在于巧妙地利用了中纬度地区太阳入射角随季节变化的特点。在北半球中纬度地区，夏季阳光直射朝南窗户的角度较陡，而冬季则较浅。基于此，他们根据几何光学原理，设计了一种不对称微棱镜阵列片（microprism - array sheet），并在朝向天空的面上选择性地涂上银层。
为了制备这种微棱镜阵列片，研究人员采用了卷对卷压花（roll - to - roll embossing）的方法，将其精确地复制到聚对苯二甲酸乙二酯（PET）基板上，还通过定向蒸发法在微棱镜的特定表面沉积了 50nm 的银层，之后又加上 10nm 厚的 SiO2保护层来防止银层氧化。在研究过程中，光学模拟（optical simulations）和户外测试（outdoor testing）发挥了重要作用。光学模拟使用商业软件（LightTools）进行光线追踪，分析微棱镜阵列片的光学性能；户外测试则在韩国龙仁（Yongin, South Korea）进行，通过测量不同类型窗户（未镀膜玻璃、有色玻璃和微棱镜镀膜玻璃）背后黑色吸收体的温度变化，来评估微棱镜阵列片的实际性能。
研究人员在设计垂直节能窗时，充分考虑到阳光和热辐射对室内温度的影响。他们发现，在韩国首尔（Seoul, South Korea）朝南的垂直表面上，冬至和夏至时，可见光和近红外光对总太阳能的贡献几乎相等，所以管理全太阳光谱至关重要。于是，他们设计出具有特定角度（α 和 β）的楔形微棱镜阵列。α 角设定为与夏季朝南窗户的最低太阳入射角对齐（如韩国为 70°），使夏季阳光能被银涂层反射；β 角则通过光线光学模拟进行优化，以实现夏季高反射率和冬季高透射率 。最终选择 β = 30° 进行制备，因为 β > 60° 时会给金属选择性沉积带来实际挑战。
实验结果令人欣喜。微棱镜阵列片展现出了独特的角度选择性透射特性。与未镀膜玻璃和有色玻璃相比，在冬季太阳入射角（30° - 60°）范围内，微棱镜样品的透射率保持在 50% 以上，能让足够的太阳能进入室内用于取暖；而在夏季太阳入射角（70° - 80°）时，其透射率近乎为零，有效阻挡了太阳能，实现室内降温。而且这种角度依赖性在全太阳光谱范围内基本保持不变，仅在 450nm 附近略有不同，这是因为微棱镜粗糙面上沉积的银引发了局部表面等离子体共振（localized surface plasmon resonances） 。
户外测试进一步验证了微棱镜阵列片的性能。在韩国龙仁进行的朝南窗户夏季测试中，微棱镜镀膜玻璃在阳光直射时，比未镀膜玻璃低 4.3°C，比有色玻璃低 2.9°C，最大温差分别可达 5.6°C 和 4.5°C 。在秋分附近进行的朝东窗户测试中，微棱镜镀膜玻璃在早晨低入射角时能让阳光透过，提高室内温度；接近中午高入射角时，能有效反射阳光，降低室内温度，实现了日常的热调节。
通过全年节能分析，研究人员发现，微棱镜镀膜窗在冬季能提供足够的太阳能增益用于室内取暖，夏季则能显著减少不必要的太阳能热量获取。在中纬度地区的美国城市（如旧金山、拉斯维加斯、阿尔伯克基和亚特兰大），使用微棱镜镀膜窗的建筑每年可实现 3.5% - 9.8% 的能源节约 。
研究结论表明，这种全光季节节能窗通过几何设计的微棱镜阵列和银涂层，实现了对阳光的季节性调节，在不同季节为室内提供适宜的温度环境，有效节约了能源。在讨论部分，研究人员还指出，微棱镜阵列的光学特性仅取决于每个三角形单元中朝向天空和地面的面的角度，较小的间距还能增强其疏水性，具备自清洁功能。不过，当前设计中微棱镜阵列的辐射冷却性能存在局限，未来可以通过在微棱镜上依次涂覆聚二甲基硅氧烷（PDMS）和氧化铟锡（ITO）来改进，以实现对太阳辐照度和热辐射的自适应调节。
总的来说，这项研究成果为建筑节能提供了一种全新的、可行的解决方案，有望在中纬度地区广泛应用，推动建筑节能领域的发展，为实现可持续发展的建筑目标迈出了重要一步。
