ENZ三层玻璃实现可见透光、近红外遮挡与大气窗口辐射制冷

论文信息： X. Zhang, F. Wang, W. Jia, et al. “ Scalable Epsilon-Near-Zero Glass Enabling Multi-Band Radiative Regulation.” Laser & Photonics Reviews 20, no. 17 (2026): e71144.

论文链接： https://doi.org/10.1002/lpor.71144

研究背景

建筑能耗占全社会能源使用约四成，其中采暖通风空调又占建筑能耗的一半左右。窗户是建筑得热与采光的双重通道：可见光约占太阳总能量50.3%，近红外约占45%，前者需要高透以保证照明，后者需要反射或阻挡以防夏季过热；同时，若想通过辐射制冷把室内热量送到冷太空，玻璃在8–14μm大气窗口还需具备高发射。传统低辐射玻璃、介质/金属/介质多层、热致或电致变色方案要么结构复杂、成本高，要么可见透光与红外调控难以兼得。用尽量少的光学膜层同时实现“透光—挡热—散热”三相顾，是节能玻璃规模化的核心难题。

研究内容

ITO作为重掺杂n型半导体，其介电常数可用Drude模型描述，实部和虚部由等离子体频率、阻尼与高频介电常数决定；ENZ波长近似与等离子体频率反比，而等离子体频率随载流子浓度升高而增大。提高Sn掺杂比例、增加载流子浓度，可把ITO的ENZ波长从常规1500–2000nm缩短到约1250nm：波长小于ENZ时材料呈介电性、可见光高透，波长大于ENZ时呈金属性、近红外高反。本文所用ITO载流子浓度约4.29×10²¹ cm⁻³、电阻率7.64×10⁻⁵ Ω·cm，较多数文献ITO更高浓度、更低电阻，因此近红外透射被显著压低，而可见带仍保持高透。

图2（a）本研究中使用的SiO2和氧化铟锡（ITO）的介电常数，插图：制作的节能玻璃的扫描电子显微镜（SEM）图片。（b）本研究中ITO玻璃的模拟反射率和透射率（ITO层厚度为500 nm）。（c）本研究和参考文献中测量的ITO玻璃的太阳透射光谱。（d）本研究和参考文献中使用的ITO材料的载流子浓度和电阻率。（e）PDMS材料的官能团和吸收峰。（f）PDMS薄膜的模拟发射率（100µm）。

仅用ITO解决太阳波段还不够，因为金属性ITO在大气窗口发射很低，不利于辐射制冷。本文在ITO/玻璃外侧引入PDMS薄层，用有机基团分子振动提供8–14μm本征吸收。PDMS在910、870、800cm⁻¹等位置对应Si–H、Si–O–Si、CH₃等振动，形成多个大气窗口吸收峰；配合ITO太阳调制，整体只保留ITO、SiO₂、PDMS三层功能膜。SiO₂主要改善ITO与普通玻璃结合，可依据大面积工艺省略；ITO用磁控反应溅射、PDMS用旋涂，样品可做至0.8×0.8m，也可转移到PET形成柔性自支撑膜。三层结构相对文献5层、6层、30层方案，在透光、挡红外、窗口发射三项不妥协的前提下显著降低制备复杂度。

图1 ENZ玻璃的总体设计方案。（a）节能玻璃的理想选择光谱，插图：太阳辐射的能量分布。太阳光谱来自ASTM G173-03参考光谱。（b）设计的多波段光谱辐射调节ENZ玻璃的节能示意图。

光学表征显示，ENZ玻璃可见波段发光透射Tlum约80.4%，近红外平均透射约10%–11%，大气窗口有效发射εe约95.1%；作为对照，纯ITO玻璃窗口发射仅5.3%，普通玻璃81.6%。ITO玻璃单独Tlum约76.2%，加入多层干涉与PDMS后总体可见光略升、近红外更低，说明三层协同不是简单叠加：ITO定太阳截止，PDMS定热发射，SiO₂调和界面与均匀性。外观上ENZ玻璃呈中性透明，CIE色度接近普通玻璃，避免了彩色或高反射节能膜常见的视觉偏色，有利于既有建筑替换。

图3 ENZ玻璃的光学性质和外观。（a）ENZ玻璃、ITO玻璃和普通玻璃的太阳透射/反射光谱。（b）ENZ玻璃、ITO玻璃和普通玻璃大气窗口内的发射光谱。（c）普通玻璃后面的建筑物图片。（d）ENZ玻璃后面同一建筑物的图片。（e）普通玻璃和（f）ENZ玻璃的CIE色度坐标。

全年屋顶实验在威海用两台相同保温箱体开展，分别装普通玻璃与ENZ玻璃，实时记录箱内温度、辐照、湿度与风速。夏季6月5日办公时段平均降温10.3℃、最大13.4℃；整个6–8月平均较普通玻璃低10.2℃。春、秋强日照中午降温明显，3月13日中午平均降6.0℃、10月28日平均降7.1℃；全春季平均5.4℃、全秋季4.7℃。冬季整体仅平均低2.1℃，说明ENZ玻璃在冷季会因阻挡部分太阳得热而轻微增加采暖负荷，但在主要制冷需求地区收益远大于损失。该结果把“光学光谱优势”转化为“分季节室内温度优势”，验证多带调控对真实日射周期的适应性。

图4 ENZ玻璃与普通玻璃相比的冷却性能和节能效率：（a）3月13日（春季），（b）6月5日（夏季）用ENZ玻璃和普通玻璃覆盖的模拟建筑物的温度变化，（c）10月28日（秋季），（d）1月20日（冬季），分别为。（e）用ENZ玻璃和普通玻璃覆盖的模拟建筑物全年室外试验时的平均温度比较。（f）福州，南宁，海口，杭州，北京，上海六个城市的年总能耗。

能耗模型用DeST建立6×6×3m建筑、ENZ玻璃作窗，对比普通玻璃在六个高密度城市全年采暖+制冷能耗。海口ENZ较普通玻璃全年节电42.9kWh/m²，其中制冷省43.1、采暖仅增0.2；北京、上海、福州、杭州、南宁分别制冷省35.0、31.6、34.6、32.2、37.6kWh/m²，采暖增24.1、10.9、3.6、8.6、1.6kWh/m²。低纬度、长制冷期城市净收益最大，高纬度冬季长城市需结合供暖策略或可调版本。表格口径下，ENZ玻璃Tlum78.5%–80.4%、TNIR约11%、窗口发射95.1%、仅3层，优于5层、6层、30层对照，证明“简单结构—高性能”可解耦而非必然权衡。

表1 ENZ玻璃与参考文献的冷却性能比较。

温室应用验证农业场景。两套相同模拟温室分别覆普通玻璃与ENZ玻璃，夏季观测生菜叶温和根土温。10:00–13:00土壤最高降14.3℃、平均降9.9℃，叶片最高降12.8℃、平均降10.5℃；两天后普通玻璃组生菜明显萎蔫，末重81.5g，ENZ组末重102g，初始分别为154g、151g。降温来自近红外阻挡减少温室得热，高窗口发射辅助向外散热，而可见光高透保障光合。对植物栽培而言，ENZ玻璃的价值不是单一制冷数值，而是把“少进热、多排热、不误光”整合到一块可规模化玻璃上。

图5 ENZ玻璃应用示范案例：（a）ENZ玻璃与普通玻璃覆盖温室在太阳辐射下的热平衡示意图。（b）模拟温室的光学图像。（c）ENZ玻璃与普通玻璃覆盖温室中植物的叶片温度和土壤温度。（d）ENZ玻璃与普通玻璃覆盖植物生理状态的照片。（e）ENZ玻璃与普通玻璃覆盖植物在温室中放置两天后的重量比较。

结论与展望

本文用ENZ-ITO缩短等离子截止波长解决可见透/近红外挡，用PDMS官能团振动解决大气窗口高发射，三层膜在载流子调控、界面结合、旋涂工艺上均可放大到米级。整体逻辑是“太阳波段由ITO的ENZ截止控制、热发射波段由聚合物分子振动控制、结构层数由界面与工艺控制”，因此既避开多层光子堆栈的制备难度，又避免单层材料波段顾此失彼。屋顶全年实验给出夏季度双位数降温，DeST多城市给出低纬度年节电30–43kWh/m²，温室给出14℃级根区降温与更少萎蔫，构成从光谱设计到建筑、农业应用的完整证据链。后续可进一步做三件事：一是把ENZ波长与PDMS厚度按高纬度冬季得热再优化，降低冷季采暖增量；二是评估长期紫外线、湿热、老化下ITO载流子与PDMS官能团稳定性；三是将三层结构扩展为卷对卷或大面积磁控在线镀膜，对接实际幕墙与温室覆盖。整体看，ENZ玻璃的思路是把“近零介电”从红外热发射调控延伸到全太阳—大气窗口协同，为低成本高效节能窗提供可量产路径。