用于节能窗的近红外吸收玻璃：基于建筑需求的技术回顾及性能评估

论文信息：

Jihong Pu, Chao Shen, Julian Wang, Yingbo Zhang, Chunxiao Zhang and Soteris A. Kalogirou, Near-infrared absorbing glazing for energy-efficient windows: A critical review and performance assessments from the building requirements, Nano Energy, (2022).

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108334

论文介绍

哈尔滨工业大学沈朝教授课题组和Pennsylvania State University的王嘉亮教授，Cyprus University of Technology的Soteris Kalogirou教授合作，对光谱选择性吸收的吸热玻璃进行了系统性的归纳。该综述针对基于过渡金属离子和基于等离基元纳米颗粒的光谱选择性吸收玻璃，首先从材料的基础物理性质出发阐述了其光学吸收原理，列举了不同种类玻璃的光谱调控策略；然后基于建筑需求，以光热比以及显示指数为指标衡量了现有吸热玻璃技术在建筑中的节能潜力和适用性；最后基于各类技术的生产成本，稳定性，节能性以及可用性等方面，综合对比分析了各类光谱选择性玻璃技术，并推荐了相应的最优解。相关成果已被中科院一区、能源领域Top期刊Nano Energy正式录用。

研究背景

太阳光经透明建筑围护结构进入室内时，带来耦合的光/热能量。热量可降低冬季热负荷，但会明显增加夏季冷负荷，影响建筑能耗与热舒适性。利用玻璃围护结构对太阳光谱按功能分裂（可见光与非可见光）并根据需求利用，成为节能舒适建筑的技术瓶颈。建筑中光/热解耦是建筑智能化、节能化、舒适化的必然趋势。现有光/热解耦技术主要通过两个路径实现：近红外反射（low-e玻璃为主）以及近红外吸收（吸热玻璃为主）。

图 1 low-e玻璃，吸热玻璃光谱调控原理图

近红外反射技术主要涉及low-e玻璃窗，相关产品已有40余年的商业化推广基础，现已占据全球节能玻璃市场的50%以上。现有的low-e涂层以镀银为主，通过真空磁控溅射工艺实现。三银low-e玻璃光热比可达2.0以上，可在50%以上可见光透射率条件下反射70%的太阳辐射能量以及95%以上的长波辐射，具有显著的节能效果和保温效果。然而，low-e玻璃也非尽善尽美，其存在的主要问题包括：真空磁控溅射生产线成本巨大，且镀银膜需额外的防护层以避免其氧化。此外，low-e玻璃通过提高反射率而减少太阳辐射得热，在冬季增加了玻璃的结霜结露几率，在白天增加了建筑的可见光反射，造成潜在的城市光污染问题。

吸热玻璃的太阳辐射调控通过吸收实现，可显著降低玻璃的光污染，并通过热效应提高玻璃表面温度，规避了窗户冬季结霜结露现象。另一方面，对于吸热玻璃的多层结构设计（如翻转设计），可以灵活地管理其吸收的太阳辐射得热，使其冬暖夏凉。因此，基于吸热玻璃开发下一代智慧低碳建筑的透明维护结构具有巨大的应用潜力。过去的几十年间，吸热玻璃技术得到了飞速发展，但是既有研究主要关注材料技术以及玻璃制造工艺的先进性，很少从建筑使用者的角度进行技术研发。

研究内容

从1960至今，研究所报道的吸热玻璃技术主要包括基于离子的吸热玻璃以及基于等离基元纳米颗粒的吸热玻璃。

具有光谱选择吸收性的离子主要是元素周期表第4周期的过渡金属离子（如图2所示）。过渡金属离子主要通过外层电子的d-d跃迁实现光谱选择性吸收，具体机理可有配位场理论解释。基于离子的玻璃光谱调控策略主要从离子材料、离子价态以及配位形式方面着手。通过不同种类，不同价态离子相互混合，可实现太阳能光谱的宽频吸收。

图2 基于离子的吸热玻璃所涉及的主要元素

三价铁离子吸收峰位于紫外波段，同时也吸收部分蓝光，经常以三价铁离子制备绿色或蓝色系的有色玻璃。二价铁离子的四面体配合物以及八面体配合物的分裂能对应吸收～1000 nm和～2000 nm的近红外光，可显著降低太阳辐射透过率，提高玻璃的光热比。因此，铁离子常是制备吸热玻璃的主要掺杂物。图3对比了各类基于离子的吸热玻璃性能参数。单一的铁离子掺杂的吸热玻璃光热比约在1.3到1.5范围内，而进一步在含铁玻璃中掺杂其它离子，如钛离子，铯离子，铬离子等过渡金属离子，可将玻璃的光热比提升至1.8。但是，当基于金属离子的吸热玻璃光热比超过1.8时，玻璃在AM1.5光谱照射下透过的可见光显色指数往往不足90。因此1.8的光热比几乎成了大部分基于离子的吸热玻璃的一个应用上限值。

图3 基于离子的吸热玻璃所涉及的性能总结 （a）各类玻璃可见光/太阳辐射透过率总结 （b）各类玻璃显色性能总结

由于等离基元共振效应（图4）引发的光热转化，物质在纳米结构上具有灵活可调的光学特性，该特性在光热玻璃方面已得到了有效应用。纳米颗粒吸收峰对应其等离基元共振频率，在近些年报道的研究中，用于窗户的纳米材料主要包括四大范畴：贵金属纳米颗粒、磁性铁矿纳米颗粒、TCO纳米颗粒以及钨铯青铜系纳米颗粒。

图4 （a）等离基元共振原理图（b）等离基元电场云图（c）等离基元共振光热转化过程

图4对比了四类基于纳米颗粒的吸热玻璃性能参数。理论上，混合不同长度的以一维金属银纳米棒具备最佳的光热解耦性能，其光热比大于2.3，同时可见光透过率大于70%。但是其光热解偶当前只存在于理论，由于材料加工制造难度大，难以在技术层面进行推广。Fe3O4@Cu2-xS纳米颗粒在四种对比材料中光热解耦性能最差，但相关研究曾证明Fe3O4@Cu2-xS在纳米尺度可影响声子传播，从而显著阻碍玻璃在某特定方向上的传热路径，具有显著的应用潜力。ATO纳米颗粒最值得商业化推广，因其造价低，光热解耦性能好。而钨铯青铜材料则具备比ATO更强的光热解耦性能，但其不持久的风化评估极大得制约了其工业化应用。

图5 基于离子的吸热玻璃所涉及的性能总结

结论与展望

总体而言，吸热玻璃可精准地将太阳光谱过滤为高发光光效系数的“冷光源”，代表一种节能、绿色的低碳建筑技术。本文从建筑应用的角度评估了各类光谱选择性玻璃窗的性能优劣，通过对比各类吸热玻璃及low-e玻璃的光热比、显色性、制造成本、稳定性等参数，综合分析了各类产品的应用价值和应用定位。总体而言，基于离子以及基于等离基元纳米颗粒的吸热玻璃光热比均高于商用low-e玻璃。但是，实际应用中为了平衡显色性，基于离子的吸热玻璃光热比不应超过1.8。基于纳米颗粒的吸热玻璃由于更加精准的光热解耦特性，其光热比在相同显色条件下比基于离子的玻璃更高，而尤其是钨铯青铜的吸热玻璃光热比可超过2.0，同时保持95以上的显色指数。

我们认为，进一步发展太阳能和分热玻璃应用建筑的潜在研究方向和挑战包括：

（1）建筑节能，视觉质量以及非视觉照明三方面的综合权衡；

（2）持久、稳定、高效、精准的光热解耦材料技术以及结构设计；

（3）近红外吸收玻璃的低成本制造技术；

（4）材料在纳米尺度的光热传导机理研究；

（5）先进的材料技术和灵巧的结构设计的综合运用（如翻转玻璃）。