香港城大曹之胤课题组《AFM》：新型热致变色钙钛矿（MAPbI3-xClx）用于节能建筑智能窗

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随着经济社会的快速发展，能源短缺问题日益显著。在社会总能源消耗中，建筑能源占比巨大，且接近60%的建筑能源用于维持室内热舒适环境的暖通空调系统。这其中，通过建筑围护结构的热损耗是造成能源浪费的根本原因。近年来，针对节能建筑材料的研究如火如荼，其中热致变色智能窗因其能够被动响应外部温度变化，无需额外能量输入，而受到广泛关注。目前，可用于热致变色智能窗的材料包括二氧化钒，水凝胶，离子胶等。最近，热致变色钙钛矿智能窗因其简单的制作工艺，优越的光学性能而引起研究者重视，然而其较高的转变温度和较大的转变温度迟滞（冷热转变温度的差值）阻碍了钙钛矿智能窗的进一步广泛应用。

近日，香港城市大学曹之胤课题组提出了一种新型热致变色钙钛矿应用于建筑智能窗，即水合MAPbI_3-xCl_x。该新型热致变色钙钛矿玻璃展现出了优异的透光率（τ_lum）和调光率（Δτ_sol），较低且可调的转变温度，和较小的转变温度迟滞，展现出在智能窗领域光明的应用前景。相关工作以“Organic Hybrid Perovskite (MAPbI_3-xCl_x) for Thermochromic Smart Window with Strong Optical Regulation Ability, Low Transition Temperature and Narrow Hysteresis Width”发表于国际著名期刊《Advanced Functional Materials》。香港城市大学能源与环境学院在读博士生刘赛为第一作者，助理教授曹之胤为通讯作者。其他作者还包括香港城市大学能源与环境学院研究助理杜雨薇，博士后研究员李孝谦，香港大学机械工程学系副教授冯宪平，博士后研究员程睿，香港城市大学物理学系教授余健文。

此新型钙钛矿热致变色钙钛矿智能窗通过以合适比例的MAI和PbCl₂（6.5:1）配备前驱液，再进行旋涂和退火即可制备完成。其变色机理是水合物质的脱水和结合水的过程。在冷态下，此钙钛矿以含有结合水的状态存在，从而呈现透明状态，随着温度升高，结合水脱离薄膜，从而呈现出较深的红棕色。在材料退火过程中，通过薄膜颜色变化和XRF的表征可知绝大部分Cl元素以含氯有机物的形式离开材料，只有少部分Cl元素存留。

图1：水合MAPbI_3-xCl_x热致变色智能窗的制备过程及其材料表征。

水合MAPbI_3-xCl_x钙钛矿热致变色玻璃展现出了优异的光学性能，在冷态下，透光率高达85.2%，近乎于全透明，相较于传统的二氧化钒热致变色玻璃的棕黄色更加美观。同时在热态下，透光率为30.3%，可以有效屏蔽太阳光。从而MAPbI_3-xCl_x钙钛矿智能窗可以在天气炎热时阻挡太阳热辐射，在天气寒冷时汲取太阳光照，已达到对建筑室内热环境的智能调节。由于其冷热状态下显著的光调节能力，水合MAPbI_3-xCl_x钙钛矿智能窗的调光率高达23.7%。

图2：水合MAPbI_3-xCl_x热致变色钙钛矿智能窗的工作原理及其光学性能。

水合 MAPbI_3-xCl_x热致变色钙钛矿的可逆的冷热状态变色性质（包括转变温度，转变时间和转变温度迟滞）与环境湿度紧密相关。因此，此钙钛矿玻璃可封装在双层玻璃窗中，通过调节夹层的湿度，从而实现对转变温度的控制。在同等湿度条件下，相较于此前研究者所提出的水合MAPbI₃热致变色钙钛矿，由于少量Cl元素的引入，水合MAPbI_3-xCl_x热致变色钙钛矿展现出了更低的转变温度（冷态变热态的转变温度为44.9 ^oC，热态变冷态的转变温度为35.3^oC），更小的转变温度迟滞（9.6^oC）和更短的转变时间（< 2 min）。这一优良的转变性质使得水合MAPbI_3-xCl_x热致变色钙钛矿玻璃更加贴近于实际应用。