聚合物分散液晶（PDLC）内部呈现多孔结构，通过电场能够对液晶微滴与聚合物基质间的折射率匹配进行调节，从而实现薄膜光学性能变化。由于制备简单成本低，PDLC在动态光学调节窗，建筑隔断，投影屏幕等方面得到了广发的应用。但是其驱动电压和对比度上仍然存在着一些问题，同时其虽然可以实现对太阳光中可见光部分的调控，但是其作为电控智能窗户在驱动电压和热管理方面仍然存在着一些不足。实际上，PDLC薄膜的聚合物在红外区具有特殊的化学键震动，有望在大气窗口范围内产生红外热辐射，这非常值得进一步探索与开发。
北京科技大学杨槐/于美娜团队等人开发设计了一种低电压高对比度具有被动辐射制冷功能的智能窗户，通过在聚合物基质中引入纳米粒子，利用其良好的光电效应大大提升薄膜的电光性能，增加了聚合物基底的散射中心，对比度得到了很好的提升。同时通过分子设计，引入了具有红外发射能力的可聚合单体，使得薄膜同时实现了被动辐射制冷和太阳光的调制。相关工作以“Enhanced Electro-Optical and Heat Regulation of Intelligent Dimming Films Using the Photovoltaic Effect of p–n Heterostructures”为题发表于Advanced Functional Materials，北京科技大学/北京大学杨槐教授、于美娜副研究员、王茜特聘副研究员为共同通讯作者，北京科技大学新材料技术研究院博士生张作为为文章第一作者。
通过给定电压控制入射太阳光的总量，以较低的驱动电压和毫秒级的响应能力实现了对太阳光的多级管理。该工作有望为先进光学器件和节能设备的设计提供新的启示。
Figure 1. Schematic diagram of the mechanism of PDLC smart window.
首先通过水热法和共沉淀法合成了WO3/Ag2O p-n异质结，通过XRD,红外光谱以及XPS分析了其晶体结构和化学成分。此外用紫外可见光谱和电化学工作站对其进行了光电性能分析。比起单一纳米粒子，p-n结的成功构建促进了光生空穴和光生电子的有效分离，光电性能得到了良好的提升。
Figure 2. UV–Vis DRS (a) and plots of (ahv)2 versus photon energy (hv) (b) of WO3, Ag2O, WO3/Ag2O; the Mott-Schottky plots of (c) WO3 and (d) Ag2O; PL spectra of WO3 and WO3/Ag2O at the excitation wavelength of 365 nm (e); (f) the fluorescence life curve of WO3 and WO3/Ag2O; EIS Nyquist plots at 0.1V bias potential vs (g), Cyclic voltametric curve (h), and the surface photoelectric voltage (i) of WO3, Ag2O and WO3/Ag2O; the periodic on/off photocurrent response WO3, Ag2O and WO3/Ag2O (j) and photocurrent value of at the different light intensities (k); Schematic representation of electron transfer in p-n heterostructures (l);
随后，将构建的p-n结纳米粒子在超声仪中充分分散，待均匀后将其与聚合单体和液晶充分混合，随后灌入液晶盒中，置于紫外灯下固化。图3显示了薄膜的电光性能。随着NPs含量的增加，所有样品的Vth和Vsat都降低。掺有WO3/Ag2O纳米粒子的样品表现出最优异的E-O性能。与原始样品相比，Vth从12.3V下降到9.6V，下降了21.96%。同时，Vsat从25.2 V降至14.8V，下降41.27%。这种现象可能有两个原因。从一开始，随着p-n异质结构纳米颗粒的加入，利用这些纳米颗粒作为成核中心可以形成大量的LC液滴，这导致LC液滴上的锚定力和驱动电压降低。此外，p-n结促进了光生电子和空穴的分离，增加了衬底之间的电流密度，增强了薄膜衬底的电位。此外随着纳米粒子的加入增加了光散射中心数量，增加了薄膜的对比度。
Figure 3. (a) The transmittance curve with voltage; (b) saturation voltage (Vsat) and contrast ratio (CR); (c) the rise time (TR) and decay time (TD) of samples A-G; (d) Vth and Vsat cruves; (e) refractive indices of different samples; (f) Variation curves of Ton and Toff for samples;
聚合物分散液晶(PDLC)是一种由液晶和聚合物组成的复合薄膜，可大规模低成本生产。通过对其微观结构和分子结构的设计和控制，可以实现高效的辐射冷却功能。可见光和近红外光的透明度影响太阳能的热效率，而中红外波长的处理主要影响辐射冷却效率。因此，能够同时调节380-2500nm波长的太阳光谱和长波红外(LWIR)波长的发射率是至关重要的。对比研究了BHPL- WO3、BHPL- Ag2O、BHPL- WO3/Ag2O与原BHPL薄膜制备的智能窗的温度调节效果。比起单一的PDLC薄膜，引入纳米粒子的薄膜展示出了更高的热管理性能。此外，我们利用MATLAB计算了膜的冷却功率，并对其冷却效率进行了理论分析。两种膜在夜间的最大冷却功率分别为139.76 W/m2/K和148.9 W/m2/K。当换热系数为3、6、9和12 W/m2/K时，PDLC的理论降温值分别为11.26、6.35、4.44和3.41oC。PDLC/p-n薄膜的温度降分别为11.89、6.73、4.71和3.63℃。白天，太阳能吸收率设定为5%。两种薄膜的Pnet值分别为99.76和108.90 W/m2/K。当换热系数为3、6、9和12 W/m2/K时，PDLC膜的温度下降幅度分别为7.97、4.52、3.16和2.43℃。PDLC/p-n薄膜的温度降分别为8.62、4.91、3.44和2.65℃。
Figure 4. (a) the schematic diagram of thermal insulation test device (b)-(c) The surface temperature of the film glass and the interior air temperature of the box rising curves with irradiation time; (d) The vis-NIR transmittance (Ton and Toff) and the (e) absorption spectra of the film with different NPs; (f) Thermal insulation stability test of 0.5BHPL-WO3/Ag2O film glass.(g) The transmittance spectra of PDLC were assessed at varying voltage levels.; (h) the Electro-optical curves of the original film and the film after 100 cycles (the response time curves is shown in the insert illustration); (i) photos of PDLC window; (j) the flexible form of PDLC smart window;
综上所述，采用共沉淀法成功合成了WO3/Ag2O p-n异质结，并将其集成到PDLC系统中。与原始PDLC膜相比，p-n异质结的存在可以显著改善其电光性能，大大降低饱和电压，提高对比度。其中一个原因是光产生的电子和空穴的自由运动降低了薄膜的阻抗。另外，在电场力的作用下，部分电子和空穴会向电极表面迁移，导致两极间瞬态光电电压升高，饱和电压降低。同时，无机纳米粒子的加入增加了散射中心的数量，有效地提高了膜的对比度。此外，薄膜独特的微观结构和丰富的表面红外发射基团使其具有较高的红外发射率和优异的冷却性能。因此，本研究提供了一种新型高效节能智能窗的设计和制备方法。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202406858
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