電致變色器件（ECDs）能夠響應(yīng)外加電場可逆地調(diào)節(jié)光的透過與吸收，是實現(xiàn)動態(tài)光熱調(diào)控的前沿光學(xué)元件，在智能建筑外墻、節(jié)能窗戶、光調(diào)制器和可穿戴電子等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。然而，其廣泛應(yīng)用長期以來受限于有限的顏色可調(diào)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(wěn)定性較好，但其響應(yīng)速度慢、顏色調(diào)節(jié)范圍窄、加工溫度高且質(zhì)地剛硬，難以滿足柔性、大面積或能量自給系統(tǒng)的需求。即便是性能最優(yōu)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(jīng)過數(shù)千次循環(huán)后會出現(xiàn)明顯衰減。

近期，華南理工大學(xué)黃飛教授、唐浩然博士與西北工業(yè)大學(xué)王亞中副教授合作開發(fā)出一種基于p-n型導(dǎo)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(dǎo)電聚合物，實現(xiàn)了卓越的綜合性能：在570納米波長處光學(xué)對比度高達(dá)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(chuàng)紀(jì)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(yōu)異循環(huán)穩(wěn)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(gòu)建了完全自供能的智能窗戶，可在標(biāo)準(zhǔn)太陽光照下自主切換，并將室內(nèi)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(jié)合，研制出光譜分辨率達(dá)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(shù)與光譜傳感，為發(fā)展節(jié)能、緊湊的光電系統(tǒng)開辟了新道路。相關(guān)論文以“Multifunctional integrated electrochromic device by p-n conductive polymers for self-powered smart windows and miniaturized spectrometers”為題，發(fā)表在

Nature Communications

該多功能平臺的設(shè)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(qū)動電壓，實現(xiàn)光熱的自主調(diào)控。圖1b則描繪了片上有機電致變色光譜儀的器件架構(gòu)，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(shè)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(qū)動電壓，實現(xiàn)光熱的自主調(diào)控。b 片上有機電致變色光譜儀的器件架構(gòu)，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(xiàn)高性能，研究人員對器件的結(jié)構(gòu)與工藝進行了精細(xì)優(yōu)化。圖2a展示了互補型電致變色器件的五層結(jié)構(gòu)（ITO/PEDOT:PSS/凝膠電解質(zhì)/PBFDO/ITO）及其清晰的截面掃描電鏡圖像。圖2b給出了兩種關(guān)鍵導(dǎo)電聚合物PEDOT:PSS和PBFDO的分子結(jié)構(gòu)。圖2c顯示兩者在褪色態(tài)均具有高透光性，其吸收峰分別靠近人眼最敏感的波長區(qū)域。通過優(yōu)化刮涂工藝、添加劑（如圖2d所示的PBFDO膜厚與導(dǎo)電性/透光率權(quán)衡）以及紫外固化凝膠電解質(zhì)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(jié)構(gòu)設(shè)計與工藝優(yōu)化。 a 多層有機電致變色器件結(jié)構(gòu)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(xué)結(jié)構(gòu)。c PEDOT:PSS和PBFDO薄膜的透射光譜。d PBFDO薄膜電導(dǎo)率及其在550納米處透射率隨膜厚的變化關(guān)系。e 電解質(zhì)層電導(dǎo)率和面電阻隨厚度的變化。f 紫外固化時間對電解質(zhì)電導(dǎo)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(zhì)層進行的機械穩(wěn)定性測試。

優(yōu)化后的互補型電致變色器件展現(xiàn)出令人矚目的性能。如圖3a所示，器件在-2V（著色態(tài)）和2V（褪色態(tài)）下的透射光譜對比鮮明，實現(xiàn)了51%的最大光學(xué)對比度。其顏色變化可通過CIE L*a*b*色坐標(biāo)（圖3b）和CIE xy色度圖（圖3c）精確表征，呈現(xiàn)從透明到深藍(lán)黑色的顯著視覺轉(zhuǎn)變。器件動力學(xué)性能優(yōu)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(jīng)過不同電壓下的長期循環(huán)測試，器件表現(xiàn)出卓越的穩(wěn)定性（圖3f）。雷達(dá)圖（圖3g）綜合對比表明，該器件在光學(xué)對比度、切換速度、能耗和穩(wěn)定性等多個關(guān)鍵指標(biāo)上均優(yōu)于當(dāng)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(xiàn)出良好的規(guī)?；瘧?yīng)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(tài)）和2V（褪色態(tài)）下測量的透射光譜；插圖為對應(yīng)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(biāo)。c 相同電壓范圍內(nèi)的對應(yīng)CIE xy坐標(biāo)。d 有機電致變色器件在著色態(tài)（-2V）和褪色態(tài)（2V）下，在550納米處的透射譜隨時間變化。e 在550納米處，光學(xué)密度變化與注入電荷密度的函數(shù)關(guān)系圖，用于計算著色效率。f 在多次切換循環(huán)中，550納米處透射率調(diào)制的實時記錄。g 雷達(dá)圖，將關(guān)鍵性能指標(biāo)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(dǎo)電聚合物基電致變色器件以及傳統(tǒng)電致變色器件之間的制造成本估算比較，聚焦于智能窗應(yīng)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(xiàn)均勻一致的顏色切換。動態(tài)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(yōu)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?；趯崪y光學(xué)性能的EnergyPlus軟件模擬結(jié)果顯示（圖4e-g），在全球不同氣候區(qū)，采用此電致變色智能窗替代傳統(tǒng)低輻射玻璃，可實現(xiàn)顯著的制冷節(jié)能效果，例如在廣州年節(jié)冷量可達(dá)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(tài)。c 在完整切換周期（從-2V到2V）內(nèi)，在器件中心和邊緣測量的550納米處動態(tài)透射率。d 根據(jù)不同偏壓下測量的透射光譜推導(dǎo)出的太陽輻照度光譜。e EnergyPlus模擬中使用的室內(nèi)溫度設(shè)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(tài)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(jié)能效果。g 全球不同氣候區(qū)模擬結(jié)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(xiàn)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(jié)構(gòu)。通過優(yōu)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(qū)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(tǒng)在光照下能從淺藍(lán)透明態(tài)切換至深藍(lán)著色態(tài)，并將室內(nèi)溫度顯著降低，證明了其光熱協(xié)同調(diào)控的有效性。

圖5：半透明有機太陽能電池驅(qū)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(yīng)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(biāo)：紅色（10納米銀）、綠色（15納米銀）、藍(lán)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(tǒng)在著色態(tài)下工作。

除了宏觀智能窗，該平臺還被應(yīng)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(jié)合了電致變色層的電壓可調(diào)寬帶濾波與集成的靜態(tài)法布里-珀羅腔濾波，通過計算重構(gòu)入射光譜。圖6b-c展示了FP腔內(nèi)的電場分布及其對探測器響應(yīng)度的調(diào)制作用。所制備的16像素OPD陣列表現(xiàn)出優(yōu)異的均勻性、低噪聲、高比探測率、寬帶寬和大的線性動態(tài)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(chǎn)生的豐富透射光譜“指紋”，為多維光譜采樣提供了基礎(chǔ)。

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(nèi)的光電場分布。c 法布里-珀羅腔調(diào)制的響應(yīng)度，實現(xiàn)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(tài)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(tài)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(diào)透射率的歸一化響應(yīng)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(zhǔn)單色光，其重建光譜與商用光譜儀結(jié)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(qū)對1納米間隔的峰實現(xiàn)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(fù)雜的冷白光LED光譜（圖7f），該光譜儀均能準(zhǔn)確重建。研究還表明，從單像素器件升級到多像素混合調(diào)制陣列，并增加電壓采樣點數(shù)，能顯著提升復(fù)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(zhǔn)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(qū)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(zhǔn)確性評估，顯示與真實值偏差極小。d 具有單主導(dǎo)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(fù)雜寬帶光譜的結(jié)果。f 使用具有混合調(diào)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(zhǔn)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(shù)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(yīng)用潛力。如圖8a-b所示的透射模式測量系統(tǒng)，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(jié)果高度一致，準(zhǔn)確反映了不同染料分子的特征吸收峰?；谥亟ü庾V的分類模型（圖8e）對四種光譜特征相似的染料實現(xiàn)了超過99%的識別準(zhǔn)確率，證明了其在便攜式光學(xué)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(dǎo)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(jié)果，表示為每個樣品的光譜響應(yīng)權(quán)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(jié)能應(yīng)用與微觀尺度的光譜傳感技術(shù)融為一體?；赑EDOT:PSS/PBFDO的互補型電致變色器件，在智能窗應(yīng)用中展現(xiàn)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(xiàn)了真正的自供能動態(tài)調(diào)光調(diào)熱。在微型光譜儀應(yīng)用中，通過融合電壓可調(diào)的電致變色濾波與靜態(tài)法布里-珀羅腔調(diào)制，在微小尺寸上實現(xiàn)了高分辨率、寬波段的光譜探測與精確重建。該平臺采用統(tǒng)一的材料體系，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計適配不同功能需求，實現(xiàn)了從基礎(chǔ)材料到集成系統(tǒng)的跨越，為下一代自適應(yīng)光電子學(xué)和實時環(huán)境監(jiān)測技術(shù)奠定了堅實的基礎(chǔ)。