针对上述难题，新加坡南洋理工大学‌李佩诗‌教授课题组报告了一种可扩展、太阳能驱动、辐照度自适应的电致变色（EC）遮阳系统。该系统能在无外部能源输入的情况下，根据户外光照变化自主调节光合有效辐射透过率，同时有效抑制紫外和近红外辐射。研究团队制备的大面积电致变色器件具有高光学对比度和优异的工作稳定性，在热带户外暴露测试中表现良好。田间试验表明，该系统可使作物周围温度降低达3.8°C，同时维持最佳光合条件。在此条件下，作物维生素C、总糖和色素含量提升23.7%至64%，生物量较传统遮阳系统增加235%。进一步的全球栽培模型显示，该系统在多种气候区的炎热季节均可实现可观的制冷能耗节约。相关论文以“Scalable irradiance-adaptive electrochromic shading for photothermal regulation”为题，发表在Nature Communications上。

研究团队构建了基于30×30平方厘米大面积电致变色器件（ECD）的户外农场栽培用动态EC遮阳系统（图1b）。该器件以掺氟氧化锡（FTO）玻璃为透明导电基底，三氧化钨（WO₃）薄膜为电致变色层，并采用高氯酸锂-碳酸丙烯酯基电解质。在外加偏压下，电子和离子可逆地嵌入/脱出WO₃层，使器件在着色态和褪色态间可逆切换。为实现户外自主运行，器件状态由集成太阳能电池板供电的光传感器模块自动控制，可根据实时太阳辐照度进行自适应切换（图1c）。这种状态转变实现了协调的光热调控：通过被动紫外抑制和近红外衰减减少辐射热增益，同时动态调节PAR的强度和光谱组成（图1d）。在着色态下，PAR总光子通量降低，蓝/红光比例（B/R=1:0.6）较无遮阳阳光（B/R=1:1.4）蓝光相对比例提升，这种蓝光富集光谱有助于调节气孔行为和光保护信号；而在褪色态下，红光相对比例升高（B/R=1:1.6），有利于光限制条件下的光捕获和碳同化。与之对比，商用PE薄膜在整个400–2250纳米波段具有约90%的透过率，几乎无光谱选择性和动态调控能力。

图1 电致变色遮阳的设计与表征。a 在不同天空条件（晴天、多云天、阴天）下，辐照度自适应和光可调的电致变色遮阳用于栽培系统的设计概念，PAR数据来源于参考文献，目的是使PAR水平保持在植物所需的适宜范围内。b 电致变色遮阳在着色/褪色态下的器件结构，对应电子/离子脱出/注入过程。c 辐照度自适应和光可调的电致变色遮阳在高/低太阳辐照度下着色/褪色态工作模式的示意图。以商用聚乙烯薄膜遮阳作为参考。d 左：计算得到的无遮阳、商用聚乙烯薄膜以及电致变色遮阳在着色/褪色态下的PAR光子通量水平，各柱状图中分别标示了红、绿、蓝波段的相应光子通量贡献。中：电致变色遮阳在着色/褪色态以及商用聚乙烯薄膜在0.28–2.5微米波段的透过光谱，叠加了AM 1.5G太阳光谱，PAR区域已高亮标出。右：计算得到的无遮阳、聚乙烯薄膜以及电致变色遮阳在着色/褪色态下在紫外/可见/近红外区域的透射太阳能量。NIR、VIS和UV分别表示近红外、可见光和紫外光。AM1.5G，空气质量1.5全球光谱；PAR，光合有效辐射；PE，聚乙烯。

对大面积器件的结构与光学性能表征显示，喷墨打印的WO₃薄膜呈正交晶系（JCPDS卡片No. 43-0679）（图2a），纳米颗粒（50–200纳米）均匀分布并带有纳米孔（图2b），膜厚约240纳米。在30×30平方厘米的大面积器件上，从中心到边缘三个测试点的透过光谱几乎完全重合（图2c），证明了整个器件区域优异的光学均匀性（图2d、e）。器件在施加-3.5伏和2伏电压时，可实现着色/褪色切换，在633纳米处光学调制幅度高达51%（图2f）。更值得一提的是，器件在开路条件下放置6小时后，着色态透过率仅增加不到11%，仍保持明显蓝色外观（图2g、h），展现出优异的光学记忆效应。同时，大面积器件展现出快速可逆的开关响应（着色/褪色时间分别为45.6秒和47.4秒），且在1000次循环（270000秒）后仍能保持初始光学对比度的82.5%（图2i）。此外，在新加坡热带户外条件下连续暴露两个月，器件性能依然稳定。

图2 30×30平方厘米电致变色器件的表征与光学性能。a 喷墨打印的WO₃薄膜在FTO基底上以及裸FTO基底的XRD图谱。b WO₃薄膜的SEM图像。c 在-3.5 V和2 V外加电压下，电致变色器件从中心到边缘各点在着色/褪色态的透过光谱。d 褪色态和e 着色态的光学照片。f 在633纳米处开路条件下着色态的透过率变化以及器件的原位透过率响应。g 电致变色器件在着色态、褪色态以及6小时后着色记忆态的透过光谱。h 6小时后着色记忆态的光学照片。i 电致变色器件的循环性能。ECD，电致变色器件；FTO，掺氟氧化锡。

在成功实现大面积器件制备的基础上，研究团队在户外搭建了米级尺度（0.7×0.7平方米，由2×2个EC单元组成）的植物种植试验台，并与商用透明聚乙烯（PE）薄膜遮阳对照（图3a）。在EC试验台中，器件状态由太阳能供电的传感控制单元自主控制，以维持生菜（Green Span品种）生长的最佳PAR范围（250–750微摩尔/平方米/秒）。在代表性生长日（2024年10月24日）的监测数据显示，EC遮阳可将试验台内PAR大部分时间控制在最佳窗口内，而PE对照和露天环境则频繁超过生菜光饱和点（750微摩尔/平方米/秒）（图3b）。日光照积分（DLI）数据显示，整个栽培期间（2024年10月15–28日），EC遮阳下的DLI值多次达到生菜推荐的10–15摩尔/（平方米·天）范围，整体远优于PE对照和露天环境，两者均持续经历过度光照（图3c）。除光照调节外，EC遮阳还显著降低了试验台内热负荷。在代表性监测日（10月20日），EC试验台温度达30.3°C，较露天环境（33.4°C）和PE对照（32.8°C）分别降低3.1°C和2.5°C（图3d）。红外热成像直观显示EC塔整体温度分布显著低于对照塔（图3e），整个生长周期内EC试验台温度较对照和室外降低1.2–3.8°C。

图3 电致变色和参考遮阳试验台的光照与温度性能。a 在高/低太阳辐照度条件下，以电致变色器件和聚乙烯薄膜作为顶部遮阳的米级电致变色和参考试验台的照片。比例尺，10厘米。b 在代表性生长日（2024年10月24日9:00–17:00），电致变色和参考试验台内以及露天环境PAR的随时间变化，同时给出对应的室外太阳功率。底部色条表示电致变色遮阳的褪色态和着色态。方框区域表示生菜生长的最佳PAR范围（250–750微摩尔/平方米/秒）。c 在植物栽培期间（2024年10月15–28日），电致变色和参考试验台内以及露天环境的DLI值。虚线表示生菜生长的推荐DLI范围（10–15摩尔/（平方米·天））。d 10月20日7:30至18:00每5分钟记录的电致变色和参考试验台内以及室外空气温度比较。e 10月23日上午11:30电致变色和参考塔及其中生长的生菜的可见光与红外热成像照片。比例尺，10厘米。PAR，光合有效辐射；DLI，日光照积分；ECD，电致变色器件；PE，聚乙烯；EC shading，电致变色遮阳；Ref shading，参考聚乙烯薄膜遮阳。

光热环境的改善直接转化为作物生长性能的显著提升。在2024年10月15日至28日于新加坡进行的户外水培生菜（Green Span）垂直种植试验（五个层级，每层六株）中，从生长过程照片和收获照片可见，EC遮阳下的生菜在整个生长周期内发育更为迅速（图4a），收获时整体株高较PE对照增加79.6%（图4b）。鲜重产量提升尤为显著，EC组较对照组增加高达235%；同时，EC组生菜含水量（87.8%）高于对照组（81.4%），表明更凉爽的微气候降低了蒸腾需求（图4c）。EC组叶片数（11片）较对照组（8.4片）增加31.0%，根系也更长（图4d）。在营养品质方面，EC组的光合色素（叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素）含量较对照组高出60%–64%（图4e）；可溶性糖和维生素C含量分别达到6.88毫克/克鲜重和162微克/克鲜重，较对照组（4.25毫克/克鲜重和131微克/克鲜重）分别提升61.9%和23.7%（图4f）。而作为高温胁迫标志物的脯氨酸，在EC组中较对照组低27.9%，进一步证实了EC系统的有效降温能力（图4g）。

图4 电致变色遮阳对作物栽培的影响。a 电致变色和参考塔不同层收获生菜的照片。比例尺，3厘米。b 生长期间电致变色和参考塔中生菜的高度变化。数据以平均值±标准差表示（n=6）；误差棒表示标准差。c 电致变色和参考塔收获生菜的含水量和鲜重。数据以平均值±标准差表示（含水量n=6，鲜重n=30）；误差棒表示标准差。含水量测量中显示了单个数据点。d 电致变色和参考塔收获生菜的叶片数和根长。数据以平均值±标准差表示（n=30）；误差棒表示标准差。e 电致变色和参考塔收获生菜的色素含量。f 电致变色和参考塔收获生菜的维生素C和可溶性糖含量。g 电致变色和参考塔收获生菜的脯氨酸含量。在e–g中，数据以平均值±标准差表示（n=6）；误差棒表示标准差。显示了单个数据点。EC shading，电致变色遮阳；Ref shading，参考聚乙烯薄膜遮阳；Chl a，叶绿素a；Chl b，叶绿素b；Car，类胡萝卜素；PRO，脯氨酸。

为了评估该系统的全球应用潜力，研究团队利用EnergyPlus软件建立了大型栽培模型（3.2米高×7米长×7米宽），并模拟了动态EC遮阳在全球16个代表性城市（覆盖0A至6A气候区）的调光与制冷节能效果。结果显示，在新加坡全年模拟中，EC遮阳使月均PAR始终维持在生菜最佳生长范围（约500微摩尔/平方米/秒），而PE对照则频繁超过最佳值（约800微摩尔/平方米/秒）（图5a）。在制冷能耗方面，EC遮阳每月可节省2.36吉焦至3.35吉焦（图5b）。扩展到全球16个气候区，在赤道和热带气候区（0A–1B），年制冷能耗节省最为显著，其中Port Hedland（1B区）达46.91吉焦，Karachi（0B区）为39.34吉焦，新加坡（0A区）为34.49吉焦。在具有明显冷热季节的区域（2A–6A区），炎热季节的节能效果同样可观，如在Lima（2B区）和Thessaloniki（3B区）分别可节省16.02吉焦和14.99吉焦（图5c）。全球热力图显示，节能热点主要分布在热带、亚热带以及中东和北非等炎热干旱地区（图5d），进一步凸显了该技术在温室和农场栽培基础设施中实现气候自适应作物生产的广阔前景（图5e）。

图5 全球电致变色遮阳模拟用于节能农业。a 电致变色/参考遮阳下栽培模型的月平均PAR水平。b 新加坡全年电致变色遮阳相较于商用参考遮阳的栽培模型月制冷能耗节省量。c 热带地区全年及其他地区炎热季节（涵盖16个气候区的16个城市）栽培模型的全球制冷能耗节省量。d 电致变色遮阳相较于商用参考遮阳的栽培模型全球制冷节能地图。e 面向未来智慧农场的大型电致变色遮阳应用蓝图。PAR，光合有效辐射；EC shading，电致变色遮阳；Ref shading，参考聚乙烯薄膜遮阳。

总结而言，本研究成功开发了一种以高性能大面积电致变色器件为核心、可扩展且辐照度自适应的智能遮阳平台，适用于炎热气候下的户外或半覆盖栽培系统。该工作将电致变色技术从实验室演示推向了可实际部署的农场应用。通过动态调节PAR透过率，同时维持紫外和近红外辐射的持续抑制，EC遮阳系统实现了光热的协调调控。田间试验证实其可同时改善作物光热微环境，显著提升营养品质和产量。全球模拟进一步验证了该策略在不同气候区的适用性和节能潜力。未来研究可进一步优化器件结构（如引入匹配的离子储存层）、开发全季候适应性（在褪色态保持高近红外透过率以实现冬季被动升温）、设计作物特异性光谱调制功能，以及集成中红外辐射调控等热管理功能。同时，更大规模、多地点的长期田间试验将有助于验证其长期可靠性并加速商业化推广。该研究为实现气候适应型、资源节约型的未来智慧农业提供了一条切实可行的技术路径。