全固態電致變色智能窗

【中玻網】智能窗是一種由玻璃或其它透明材料等基材和調光材料所組成的調光智能器件，在一定的物理條件下（如光照、電場、溫度），這種器件發生著色或褪色反應，改變自身的顏色狀態，從而有選擇性地吸收或反射外界的熱輻射和阻止內部熱擴散，達到調節光強度和室內溫度的目，從而達到節能的目的。智能窗按其激勵方式可分為：熱致變色、光致變色、電致變色3大類。電致變色是指在外加電場的作用下，材料的光學性能發生連續可逆變化的現象。本文要點研究電致變色智能窗中的全固態電解質電致變色智能窗。

　　（1）電致變色按其材料類型可分為農業生產體系電致變色和無機電致變色。由于農業生產體系電致變色材料是由農業生產體系材料復合而成，其制備工藝復雜，不耐紫外線照射，化學穩定性不高，不易被工業化接受。通常可用作無機電致變色材料的是元素周期表中的過渡金屬元素的氧化物，在陰較著色材料中，研究更充分、更完全的要數WO3。

　　（2）無機電致變色智能窗是在透明玻璃基底上，依次沉積透明導電層（TC），電致變色層（EC），離子導電層（IC），離子儲存層（IS）和透明導電層（TC）的5層結構。如圖1所示。

圖1    無機電致變色智能窗結構示意圖

　　（3）全固態電解質電致變色智能窗：如圖1所示，無機電致變色智能窗的離子導電層材料可為液態、凝膠態和全固態。

　　本文研究互補五層型全固態電解質電致變色智能窗，采用磁控濺射直流反應濺射法制備各層薄膜。膜層結構中的TCO層為TC層；WO3層為EC層，也就是電致變色層，非晶態的WO3是無色的，當有離子注入時，就會著色變成藍色；LiTaO3為IC層，也就是離子導體層，也被稱為電解質層，它只允許離子通過，用作傳導變色過程中的離子；NiOx為IS層，也就是離子儲存層，也可稱為對電較層，由于它與WO3具有相反的著色效應，它是電致變色層中注入離子的提供者，起到平衡離子的作用。

　　（4）全固態電解質電致變色薄膜的制備：本文利用直流反應濺射鍍制各膜層，采用10Ω的TCO玻璃作為基片，利用臥式鍍膜機，分別制備WO3、LiTaO3、NiOx、ITO薄膜，研究其性能，找出合適的厚度，確定復合膜層的各層厚度及工藝。

表1各薄層工藝

　　由于全固態電解質電致變色薄膜與傳統的液態及凝膠態電致變色薄膜的主要區別在于電解質材料，本文要點研究用磁控濺射法制備的LiTaO3薄膜的性能。LiTaO3薄膜SEM分析：從圖2中可以看出，雖然為常溫濺射，LiTaO3薄膜表面的顆粒度較小，結構致密。

圖2    LiTaO3薄膜SEM圖

　　LiTaO3薄膜光學性能測試：圖3為UV3600測得850 nm厚的LiTaO3薄膜的可見光光譜，從圖中可以看出，LiTaO3薄膜具有較高的可見光透過率，可達到95%以上。

圖3    LiTaO3薄膜可見光光譜

　　（5）LiTaO3薄膜厚度對復合膜層組裝器件的影響：在保證ITO、WO3、NiOx厚度不變的情況下，改變LiTaO3的厚度，研究其與上述薄膜復合后對整個器件在可見光范圍內透過率的變化見圖4、圖5。

（a）

（b）

圖4    不同LiTaO3膜厚組裝器件的SEM圖

　　圖4（a）中LiTaO3薄膜厚度為850 nm，圖4（b）中LiTaO3薄膜厚度為500 nm。

（a）

（b）

圖5    不同LiTaO3膜厚組裝器件的可見光光譜

　　圖5中（a）（b）分別對應圖4（a）（b）的可見光光譜。從圖5可發現，在LiTaO3薄膜850 nm時，漂白-著色可見光透過率可調制范圍可達到55%，而LiTaO3薄膜500 nm時，漂白-著色可見光透過率可調制范圍減少到40%。因此，LiTaO3薄膜的厚度對組件的可見光調制范圍有著關鍵影響。這是由于離子導電層越厚，將有越多的離子參與反應，調制范圍就越寬。

　　通過一系列的實驗得出：全固態電解質電致變色薄膜，可連續調整可見光透過率，可調整范圍達到55%，具有廣泛的應用前景。該電致變色玻璃可廣泛應用于汽車自變暗后視鏡、與低輻射鍍膜玻璃復合更進一步降低中空玻璃的U值及遮陽系數達到節能效果，更重要的是可主動地使幕墻玻璃的透過率在2%~60%之間調整，使建筑幕墻玻璃也實現智能化。