电致变色器件能够动态进行颜色变化，在智能建筑、信息显示及光学调制等领域具有重要应用前景。然而，其实际应用常受限于颜色变化单一、响应速度缓慢、着色效率低以及循环寿命有限等关键瓶颈。

图1. 多功能电致变色平台的设计与工作原理

  近期，华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室黄飞、唐浩然以及西北工业大学王亚中等人采用团队前期发展的n型导电聚合物聚（苯并二呋喃二酮）（PBFDO）与p型导电聚合物聚（3,4-乙撑二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS），构筑了一种p-n互补的双导电聚合物体系电致变色器件，成功突破了传统电致变色器件的性能限制。所制备的器件展示卓越的电致变色性能：高光学对比度 （570 nm处为51%）、超快切换速度（着色/褪色仅需0.17 s和0.36 s）、超高着色效率（550纳米波长下为1688 cm² C^-1）以及超10,000次循环的优异稳定性。基于上述优异性能，团队进一步将该电致变色体系拓展至跨尺度集成应用，涵盖宏观能源管理与微观光谱传感两个方向。在宏观尺度上，通过将电致变色器件与半透明有机太阳能电池进行垂直堆叠集成，构建了一种自供电智能窗系统。在微观尺度上，将电致变色器件与4×4 法布里-珀罗（Fabry–Pérot, FP）微腔及有机光电探测器阵列集成，构筑了一种微型计算光谱仪，在小器件面积内，实现光谱分辨率的高精度重构。该工作构建了可扩展的电致变色平台，巧妙融合了智能窗能源管理与光谱传感功能，为下一代自适应光电技术及实时环境监测技术提出新方案。

  2025年12月22日，该工作以“Multifunctional integrated electrochromic device by p-n conductive polymers for self-powered smart windows and miniaturized spectrometers”为题发表在Nature Communication上。文章由华南理工大学博士研究生张晓健和郝璐作为共同第一作者。该研究得到国家自然科学基金、中国博士后基金、中央高校基本科研业务费项目以及腾讯新基石科学基金科学探索奖的支持。

图2. 有机互补电致变色器件的结构设计与工艺优化

  图2a显示了器件的五层结构：ITO/PEDOT:PSS/凝胶电解质/PBFDO/ITO, 其中ITO作为导电基底，PEDOT和PBFDO分别作为p型和n型导电聚合物基电致变色材料，电解质是通过光固化交联形成的半固态凝胶。两种导电聚合物的化学结构以及透射光谱如图2b-c所示，材料在可见光区均有较高透过率。通过进一步对n型导电聚合物PBFDO层以及电解质进行优化，实现了低电压下的高性能电致变色切换，同时确保了与可扩展制造工艺及柔性基板的兼容性（图2g），为集成到自供电智能窗系统奠定了坚实基础。

图3. 有机互补电致变色器件的电致变色性能

  全有机互补PEDOT-PBFDO的电致变色器件显示出优异的电致变色性能。如图3a显示，器件在510 nm处展现出高达51%的光学调制幅度。同时，经过CIE L*a*b*（图3b）和CIE xy（图3c）测试，精确表明器件在高度透明到深蓝色之间转换。p-n互补的器件结构使得器件响应速度得到大幅提升，着色和褪色仅需0.17 s和0.36 s（图3d）,并展示出超高的着色效率（在550 nm处高达1688 cm² C^-1）以及优异的循环稳定性，在±2V条件下可逆变换超3000圈而没有任何衰减（图3f），综合性能显著高于常用电致变色器件，并具有较低的制备成本（图3g-h）。

  研究团队进一步将高性能电致变色器件与半透明有机太阳电池模组进行垂直堆叠集成，构筑自供电智能窗，其运行示意图如图4a所示。利用有机太阳电池的光伏发电实现了在环境光照变化条件下的自主颜色调控与动态光热管理功能。实验结果表明，在模拟太阳光照条件下，该自供电智能窗系统可有效降低室内温度7℃，显著提升了建筑的热管理效率（图4f），展现了其在建筑一体化光伏节能应用中的巨大潜力。

图4. 半透明有机太阳能电池驱动的自供电智能窗

  同时，团队将电致变色设备与FP腔以及有机光电探测器阵列集成构筑的微型计算光谱仪，其中光学调制体系包括电致变色设备的动态电压以及FP的静态微腔调制，在不改变原有静态微腔的数量的前提下，仅通过外加电压的变化增加采样数量，进一步压缩分光光路所占空间，结合高性能有机光电探测器和重构算法，实现了纳米级分辨精度的光谱重构，可实现在准单色光照明 (3 nm宽）条件下,重建了300-1200 nm范围光谱, 峰位置和强度与商业光谱仪高度吻合。为了验证系统的实际检测能力，团队选取常见四种有机材料溶液作为测试对象。结果显示，该系统不仅能实现99%以上的综合识别准确率，还能重构并还原每种溶液的吸收光谱。

图5. 有机电致变色微型光谱仪溶液识别准确率与光谱还原

  综上，本研究开发了一种基于PEDOT:PSS/PBFDO的p-n互补导电聚合物基多功能电致变色平台，并充分利用有机光电材料的溶液加工优势，突破传统器件单一功能的局限，实现了从智能窗能源管理到高分辨率光谱传感的跨尺度集成。本研究是团队近年来在n型导电聚合物材料设计、有机半透明太阳电池模组制备及有机近红外光探测器器件集成等领域多年深耕的集中体现。宏观尺度上，集成的自供电智能窗动态调控建筑物的透光率，实现太阳能与热能的协同管理。微观尺度上，集成的微型计算光谱仪以紧凑便携的形态，实现了精准的光谱重构与物质鉴别，有望为下一代智能光电技术的发展提供新设计思路。

  原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-67903-1