针对上述难题，南京大学朱嘉教授和金艳副教授团队研发出一种基于可逆金属电沉积（RME）的“太阳-热辐射双波段电致变色窗（STDEC）”。该窗口通过集成动态铜-铋（Cu-Bi）基可逆金属电沉积系统与空间旋转结构，实现了太阳透射率（ΔT_sol = 52.2%）和长波红外发射率（Δε_LWIR = 0.87）的独立调控（图1c）。室外热学测试表明，STDEC窗在夏季白天比普通玻璃最高降温22.2°C，冬季夜间则能提升温度1.5°C。建筑能耗模拟进一步显示，该窗户在全球各气候区平均可节约19.5%的HVAC能耗，显著优于商用低辐射（low-E）玻璃（9.3%）和标准RME基EC窗（9.1%），为实现节能建筑提供了可持续路径。相关论文以“Solar and thermal dual-band electrochromic windows for energy-efficient buildings”为题，发表在Nature Communications上。

STDEC窗的工作原理与结构设计巧妙融合了RME技术与机械旋转机制（图1a-b）。窗口以双面ITO玻璃为工作电极，铜框为对电极，透明凝胶电解质提供金属离子，并覆盖一层聚乙烯（PE）膜（图1b）。冬季模式下，窗口保持高T_sol（52.24%）和正面低ε_LWIR（0.08，ITO侧），以捕获太阳辐射并减少热量散失；夏季模式下，施加-1 V电压使Cu-Bi合金均匀沉积，窗口变为黑色不透明状态，Tₛₒₗ骤降至0.06%，同时通过空间旋转将PE侧朝外——因水性电解质在红外波段具有强吸收，其正面ε_LWIR高达0.95，从而同时实现遮阳和辐射散热（图1c）。这一设计的关键在于：工作电极内侧修饰的铂纳米颗粒（Pt NPs）确保了金属薄膜均匀致密沉积，避免了“咖啡环”效应和滞后响应；而185 nm厚度的ITO层则在低方阻（8 Ω/sq）与高太阳透射率之间取得最佳平衡，同时其LWIR反射率超过90%，有效阻挡热辐射（图2b-c）。最终，该窗口在可见光至红外波段均展现出显著的调控能力——普通相机下呈现透明至黑色转变（图2d i-iii），红外相机下则从蓝色（冷）变为红色（热）（图2d iv-vi）。

图1 | STDEC窗的概念与结构。 a，STDEC窗在冬季（左）和夏季（右）的工作原理。 b，STDEC窗的结构示意图。该器件可在加热模式（左）和冷却模式（右）之间切换。 c，STDEC窗在加热模式（红线）和冷却模式（蓝线）下的光谱。红色阴影区域对应归一化AM 1.5全球太阳光谱，蓝色阴影区域显示长波红外（LWIR）大气透射窗口。 

在电致变色性能方面，STDEC窗展现了出色的循环稳定性、快速响应、超低功耗和优异双稳态。经过2000次循环测试，其太阳透射率调制幅度仅衰减1%（图2f），且在紫外照射、温湿度变化等环境应力下，1000次循环后仍保持90%以上的光学对比度。在10 cm²器件上，着色时间仅13.8秒，褪色时间6.6秒。更令人瞩目的是，该窗口在开路状态下可维持黑色或透明状态长达36小时，光学损失低于2%（图2g），这意味着仅开关过程消耗电能。经计算，其年均开关能耗仅占基准建筑年用电量的0.14%（黑态）至0.27%（隐私态）（图2h），功耗仅为3.35 mW/cm²，远低于行业10 mW/cm²的低能耗标准。此外，该窗口在整个变色过程中色度C*值始终小于10，呈现出中性灰至黑色过渡，避免了传统EC窗常见的蓝色调，最大限度减少了对室内视觉体验的影响。

图2 | STDEC窗的光学与热学性能。 a，不同沉积时间下记录的太阳透射光谱。 b，ITO层厚度（L）对其热反射率的影响。 c，不同厚度ITO层在同一热板上的红外图像。 d，STDEC窗在太阳波段和热波段独立及协同调控的光学照片和热像图。 e，不同电致变色策略对Tₛₒₗ和ε_LWIR调控能力的比较。 f，STDEC窗在太阳光谱范围内的循环性能。 g，STDEC窗在太阳光谱范围内的双稳态性能。黑色和透明态STDEC窗在开路状态下保持36小时（零功耗）的光学透射率监测。 h，STDEC窗在不同光学态之间切换的年耗电量占基准建筑年用电量的百分比。 

为了验证实际应用效果，研究团队在南京大学开展了为期数月的室外热学测试。夏季测试中（2024年8月23-25日），将普通玻璃、low-E玻璃、标准RME-EC窗和STDEC窗分别置于保温测试腔顶部（图3a）。在晴朗天气下，STDEC窗室内空气温度较普通玻璃平均低14.1°C，正午最高温差达22.2°C（太阳辐照度约830 W/m²）（图3b）；即使与标准RME-EC窗相比，STDEC窗仍低4.5°C，这得益于其正面高发射率强化辐射散热、背面低发射率抑制二次热辐射。夜间高湿环境（相对湿度68%）下，STDEC窗仍比环境温度低1.3°C，证明日间积累的热量可通过辐射冷却有效排散。垂直安装测试（朝南）同样验证了其显著降温效果——正午时分较普通玻璃和EC窗分别平均降低14.9°C和2.9°C。冬季测试（2024年11月29日）则展示了其制热与保温能力：白天（10:00-14:00）施加正电压使Cu-Bi薄膜溶解，窗口恢复透明并旋转使低发射率面朝外，STDEC窗温度较环境高12.3°C，比透明RME-EC窗高1.5°C（太阳辐照度约600 W/m²）；夜间（0:00-4:00），其低发射率设计有效抑制热辐射，室内温度较其他参考窗高1.3-1.5°C（图3c-d）。

图3 | STDEC窗的室外热学性能。 a，夏季白天水平放置的STDEC窗及其他参考样品热学测量实验装置。比例尺，10 cm。 b，夏季白天不同水平放置样品在直射阳光下的实测温度。室外热学性能于2024年8月25日9:00至17:00在南京大学（32°07′15″N，118°57′17″E）测量。 c，冬季夜间水平放置的STDEC窗及其他参考样品热学测量实验装置。比例尺，10 cm。 d，2024年11月29日0:00至4:00在南京大学（32°07′15″N，118°57′17″E）夜间监测的各样品室内空气温度。插图为STDEC窗及其他参考样品的发射率设计方案。STDEC窗以低正面发射率为特征，可减少内部热损失并提供良好保温效果。 

基于EnergyPlus的建筑能耗模拟进一步量化了STDEC窗的全球节能潜力（图4a）。研究团队选取全球19个代表不同气候区的城市（从热带极热潮湿到亚北极/北极），以标准中型办公建筑（总楼面面积4982.19 m²，窗墙比33%）为模型。结果显示，在极端气候城市（如曼谷、阿布扎比、丘吉尔），年节能超过80 MJ/m²；在温带和亚热带城市（如南京30.8 MJ/m²、圣地亚哥27.7 MJ/m²），节能率约20.2%（图4c）。全球平均而言，STDEC窗较普通玻璃可节约19.5%的年HVAC能耗，远超low-E玻璃（9.3%）和标准RME-EC窗（9.1%）（图4d）。换算成二氧化碳减排，每栋参考中型办公楼年均减排39.3吨CO₂，在炎热和寒冷地区减排效益尤为突出（图4e）。

图4 | 窗户应用的全年节能与CO₂减排模拟。 a，配备旋转式STDEC窗进行热调控的建筑示意图。 b，南京地区中型办公建筑在不同光学态下采用低发射率或高发射率窗户时的制冷和制热能耗。 c，19个不同气候区典型城市采用STDEC窗的建筑年运行HVAC节能及节能百分比。 d，与普通玻璃相比，STDEC窗、EC窗和low-E窗在建筑中的平均HVAC节能对比。 e，不同全球气候区中型办公建筑采用STDEC窗的年CO₂减排量。

本研究为智能窗户的商用化开辟了新路径，但仍需在运行稳定性、环境耐久性和使用寿命方面进一步优化。探索新型电解质（如耐受高紫外辐照、高湿度和极端温度）是提升耐久性的重要工程方向。此外，向米级建筑窗户的规模化扩展，可通过高导电透明电极、图案化电极或模块化单元等结构设计来实现。研究者相信，该工作有望推动智能窗户的商业化进程，为未来节能减碳、可持续城市发展提供有力支撑。所有STDEC窗还可集成至物联网系统，根据外部天气和个人偏好智能调控，改善室内微气候和居住舒适度。