華南理工黃飛教授《自然·通訊》：新型電致變色平臺突破性能瓶頸，賦能自供能智能窗與微型光譜儀

電致變色器件（ECDs）能夠響應外加電場可逆地調節光的透過與吸收，是實現動態光熱調控的前沿光學元件，在智能建筑外墻、節能窗戶、光調制器和可穿戴電子等領域展現出巨大潛力。然而，其廣泛應用長期以來受限于有限的顏色可調性、緩慢的切換速度以及較低的著色效率。特別是無機電致變色材料，盡管穩定性較好，但其響應速度慢、顏色調節范圍窄、加工溫度高且質地剛硬，難以滿足柔性、大面積或能量自給系統的需求。即便是性能最優異的無機電致變色器件，其切換時間通常也在秒級，著色效率較低，且經過數千次循環后會出現明顯衰減。

近期，華南理工大學黃飛教授、唐浩然博士與西北工業大學王亞中副教授合作開發出一種基于p-n型導電聚合物的互補型有機電致變色器件。該器件采用聚（3,4-乙烯二氧噻吩）-聚（苯乙烯磺酸）和聚（苯并二呋喃二酮）兩種導電聚合物，實現了卓越的綜合性能：在570納米波長處光學對比度高達51%，著色/褪色切換速度超快（分別為0.17秒和0.36秒），在550納米處獲得了創紀錄的1688 cm2 C?1的高著色效率，并在±1 V電壓下保持了超過10,000次的優異循環穩定性。通過將該器件與半透明有機太陽能電池集成，研究人員成功構建了完全自供能的智能窗戶，可在標準太陽光照下自主切換，并將室內溫度降低7攝氏度。此外，研究團隊還將此電致變色濾光器與帶有片上法布里-珀羅腔的4×4有機光電探測器陣列相結合，研制出光譜分辨率達7.2納米的微型光譜儀。這一多功能電致變色平臺，無縫橋接了智能窗戶技術與光譜傳感，為發展節能、緊湊的光電系統開辟了新道路。相關論文以“Multifunctional integrated electrochromic device by p-n conductive polymers for self-powered smart windows and miniaturized spectrometers”為題，發表在

Nature Communications

該多功能平臺的設計核心如圖1所示。圖1a展示了自供能智能窗的工作原理：半透明有機太陽能模塊為下方的電致變色器件提供驅動電壓，實現光熱的自主調控。圖1b則描繪了片上有機電致變色光譜儀的器件架構，其將電致變色濾光器陣列單片集成在法布里-珀羅腔增強的有機光電探測器陣列之上。

圖1：多功能電致變色平臺的設計與工作原理。 a 自供能智能窗示意圖，其中半透明有機太陽能電池為有機電致變色器件提供驅動電壓，實現光熱的自主調控。b 片上有機電致變色光譜儀的器件架構，包含單片集成的電致變色濾光器陣列堆疊在法布里-珀羅腔增強的有機光電探測器陣列之上。

為實現高性能，研究人員對器件的結構與工藝進行了精細優化。圖2a展示了互補型電致變色器件的五層結構（ITO/PEDOT:PSS/凝膠電解質/PBFDO/ITO）及其清晰的截面掃描電鏡圖像。圖2b給出了兩種關鍵導電聚合物PEDOT:PSS和PBFDO的分子結構。圖2c顯示兩者在褪色態均具有高透光性，其吸收峰分別靠近人眼最敏感的波長區域。通過優化刮涂工藝、添加劑（如圖2d所示的PBFDO膜厚與導電性/透光率權衡）以及紫外固化凝膠電解質的配方與條件（圖2e-g），研究人員成功制備出了均勻、無缺陷且柔性的高性能電致變色薄膜。

圖2：有機電致變色器件的結構設計與工藝優化。 a 多層有機電致變色器件結構示意圖及截面掃描電鏡圖。b PEDOT:PSS和PBFDO電致變色聚合物的化學結構。c PEDOT:PSS和PBFDO薄膜的透射光譜。d PBFDO薄膜電導率及其在550納米處透射率隨膜厚的變化關系。e 電解質層電導率和面電阻隨厚度的變化。f 紫外固化時間對電解質電導率和面電阻的影響。g 使用曲率半徑為1厘米的10×10 cm2柔性有機電致變色器件對電解質層進行的機械穩定性測試。

優化后的互補型電致變色器件展現出令人矚目的性能。如圖3a所示，器件在-2V（著色態）和2V（褪色態）下的透射光譜對比鮮明，實現了51%的最大光學對比度。其顏色變化可通過CIE L*a*b*色坐標（圖3b）和CIE xy色度圖（圖3c）精確表征，呈現從透明到深藍黑色的顯著視覺轉變。器件動力學性能優異，在550納米處的透射率切換快速（圖3d），基于電荷注入計算的著色效率極高（圖3e）。經過不同電壓下的長期循環測試，器件表現出卓越的穩定性（圖3f）。雷達圖（圖3g）綜合對比表明，該器件在光學對比度、切換速度、能耗和穩定性等多個關鍵指標上均優于當前最先進的電致變色器件。同時，其制造成本估算僅約78美元/平方米（圖3h），展現出良好的規模化應用前景。

圖3：互補型有機電致變色器件的性能特征。 a 有機電致變色器件在-2V（著色態）和2V（褪色態）下測量的透射光譜；插圖為對應偏壓下器件的照片。b 不同施加電壓下器件的CIE L*a*b*色坐標。c 相同電壓范圍內的對應CIE xy坐標。d 有機電致變色器件在著色態（-2V）和褪色態（2V）下，在550納米處的透射譜隨時間變化。e 在550納米處，光學密度變化與注入電荷密度的函數關系圖，用于計算著色效率。f 在多次切換循環中，550納米處透射率調制的實時記錄。g 雷達圖，將關鍵性能指標與代表性的最先進電致變色器件進行比較。h 我們的有機電致變色器件、過渡金屬基電致變色器件、導電聚合物基電致變色器件以及傳統電致變色器件之間的制造成本估算比較，聚焦于智能窗應用。

該平臺的擴展性與熱管理性能同樣出色。圖4a和4b顯示，通過刮涂法制備的20×20 cm2大面積器件和10×10 cm2柔性器件均能實現均勻一致的顏色切換。動態透射率測試（圖4c）證實了大面積器件中心與邊緣性能的一致性。更重要的是，器件具備優異的太陽能熱屏蔽能力。如圖4d所示，在不同偏壓下，器件能有效阻擋近紅外波段的太陽輻照。基于實測光學性能的EnergyPlus軟件模擬結果顯示（圖4e-g），在全球不同氣候區，采用此電致變色智能窗替代傳統低輻射玻璃，可實現顯著的制冷節能效果，例如在廣州年節冷量可達228 MJ m?2。

圖4：有機電致變色器件的擴展性與熱屏蔽性能。 a 通過刮涂法制備的20×20 cm2有機電致變色器件的照片。b 柔性10×10 cm2器件在機械彎曲下的狀態。c 在完整切換周期（從-2V到2V）內，在器件中心和邊緣測量的550納米處動態透射率。d 根據不同偏壓下測量的透射光譜推導出的太陽輻照度光譜。e EnergyPlus模擬中使用的室內溫度設定值，用于模擬真實氣候控制場景。f 在廣州某辦公樓中使用處于不同工作狀態的有機電致變色器件，相較于商用低輻射玻璃，模擬得出的年制冷節能效果。g 全球不同氣候區模擬結果，展示了用有機電致變色器件（-2V）替換低輻射玻璃后，年制冷能耗的絕對（MJ m?2）和相對（%）降低量。

為實現完全自供能，研究團隊將電致變色器件與半透明有機太陽能模塊垂直堆疊集成。圖5a展示了該自供能智能窗的單片集成結構。通過優化銀電極和氧化鉬減反射層的厚度（圖5b-d），平衡了光伏效率與可見光透過率。最終制備的大面積模塊（圖5e）成功驅動了同等尺寸的電致變色窗戶。如圖5f的模型屋實驗所示，集成系統在光照下能從淺藍透明態切換至深藍著色態，并將室內溫度顯著降低，證明了其光熱協同調控的有效性。

圖5：半透明有機太陽能電池驅動的大面積智能窗性能。 a 單片集成的半透明有機太陽能電池-有機電致變色器件示意圖及其自供能電致變色切換機制。b 具有不同銀電極厚度和氧化鉬減反射層的半透明有機太陽能電池的J-V特性曲線。c 圖b中半透明有機太陽能電池器件對應的外量子效率和透射光譜。d 半透明有機太陽能電池的CIE xy色度坐標：紅色（10納米銀）、綠色（15納米銀）、藍色（15納米銀 + 30納米氧化鉬）和黃色（30納米銀）。e 大面積半透明模塊（有效面積100平方厘米）的J-V曲線。f 縮放模型屋在三種條件下的照片：（i）無器件，（ii）僅半透明有機太陽能電池，以及（iii）集成半透明有機太陽能電池-有機電致變色系統在著色態下工作。

除了宏觀智能窗，該平臺還被應用于微型光譜傳感。圖6a闡釋了片上有機電致變色光譜儀的工作機理：它結合了電致變色層的電壓可調寬帶濾波與集成的靜態法布里-珀羅腔濾波，通過計算重構入射光譜。圖6b-c展示了FP腔內的電場分布及其對探測器響應度的調制作用。所制備的16像素OPD陣列表現出優異的均勻性、低噪聲、高比探測率、寬帶寬和大的線性動態范圍（圖6d-h）。圖6i則顯示了電致變色濾光器在不同電壓下產生的豐富透射光譜“指紋”，為多維光譜采樣提供了基礎。

圖6：有機電致變色光譜儀的工作原理。 a 基于電壓依賴的透射和計算光譜重建的有機電致變色光譜儀工作原理示意圖。b 法布里-珀羅腔內的光電場分布。c 法布里-珀羅腔調制的響應度，實現具有互補光譜帶的波長選擇性濾波。d 16像素有機光電探測器陣列的暗態J-V特性。e 有機光電探測器的噪聲譜。f 基于測量噪聲計算得到的有機光電探測器的比探測率。g 有機光電探測器的-3 dB截止帶寬和 h 線性動態范圍。i 有機電致變色器件中電致變色濾光后，具有寬帶、電壓可調透射率的歸一化響應度分布。

該光譜儀具備出色的光譜重建能力。如圖7a所示，對于準單色光，其重建光譜與商用光譜儀結果高度吻合。它能清晰分辨間隔僅7.2納米的兩個光譜峰（圖7b），并在近紅外區對1納米間隔的峰實現了平均僅0.29納米的波長偏差（圖7c）。對于單峰寬帶光譜（圖7d）和復雜的冷白光LED光譜（圖7f），該光譜儀均能準確重建。研究還表明，從單像素器件升級到多像素混合調制陣列，并增加電壓采樣點數，能顯著提升復雜光譜的重建保真度（圖7e, g）。

圖7：片上有機電致變色光譜儀的光譜重建能力。 a 使用有機電致變色光譜儀重建的準單色光光譜，與商用光柵光譜儀的參考光譜對比。b 光譜分辨率驗證，顯示成功區分間隔7.2納米的兩個光譜峰。c 對間隔1納米的近紅外光源重建峰值波長的準確性評估，顯示與真實值偏差極小。d 具有單主導峰的寬帶光譜重建。e 使用單個有機電致變色光譜儀（僅有機電致變色器件）重建復雜寬帶光譜的結果。f 使用具有混合調制（有機電致變色器件+法布里-珀羅腔陣列）的16像素有機電致變色光譜儀陣列準確重建冷白光LED光譜。g 光譜重建的均方誤差隨電壓采樣點數量的變化。

研究進一步展示了該微型光譜儀在材料識別中的實際應用潛力。如圖8a-b所示的透射模式測量系統，可用于獲取有機染料溶液的吸收光譜。圖8c-d顯示，光譜儀重建的吸收光譜與商用儀器結果高度一致，準確反映了不同染料分子的特征吸收峰。基于重建光譜的分類模型（圖8e）對四種光譜特征相似的染料實現了超過99%的識別準確率，證明了其在便攜式光學分析中的可靠性與實用性。

圖8：使用片上有機電致變色光譜儀進行材料識別。 a 透射模式測量裝置示意圖。b 有機電致變色光譜儀芯片及封裝在金屬模塊中的芯片照片。c 四種有機半導體材料溶液。d 使用有機電致變色光譜儀獲得的重建吸收光譜，與商用光譜儀測量的參考光譜對比。e 基于重建光譜的分類結果，表示為每個樣品的光譜響應權重向量。

這項研究展示了一個兼具高性能與高可擴展性的有機電致變色平臺，它成功地將宏觀尺度的節能應用與微觀尺度的光譜傳感技術融為一體。基于PEDOT:PSS/PBFDO的互補型電致變色器件，在智能窗應用中展現了高對比度、超快切換、低能耗和長壽命等卓越特性，與半透明太陽能電池集成后實現了真正的自供能動態調光調熱。在微型光譜儀應用中，通過融合電壓可調的電致變色濾波與靜態法布里-珀羅腔調制，在微小尺寸上實現了高分辨率、寬波段的光譜探測與精確重建。該平臺采用統一的材料體系，通過結構設計適配不同功能需求，實現了從基礎材料到集成系統的跨越，為下一代自適應光電子學和實時環境監測技術奠定了堅實的基礎。