无机全固态电致变色材料与器件研究进展

智能场致变色材料是一类能在外场(电场、温度、光照、气氛)刺激下发生可逆光学变化的物质群。其中,电致变色材料因其调节幅度大、响应速率快、着色效率高和循环稳定性好等特点,有望在智能窗、屏幕显示和多功能储能器件等领域得到广泛应用。相较于半固态电致变色器件难于封装以及有机电致变色材料易于变性失效,无机全固态电致变色材料及其器件具有更好的综合应用性。本文聚焦典型无机全固态电致变色材料与器件,综述了当前电致变色器件各结构层的制备途径,并对比了其优劣性,详细介绍了主要的电致变色备选材料及其关键性能评价指标,并阐释了几种代表性电致变色器件的作用原理,提出了使用兼具高透光率、低面电阻以及优异抗弯折性的透明柔性电极替代传统的刚性衬底以实现多场响应器件的应用拓展。最后,从性能瓶颈、工艺难点及产业化机遇的角度对无机全固态电致变色器件的应用前景进行了展望,为电致变色产业化进程提供了借鉴。

光学设计用于全固态电致变色器件的高溅射效率三明治结构电解质

全固态电致变色器件以其光学对比度高、响应速度快以及良好的循环稳定性等特点而广泛应用于节能窗、屏幕显示、多功能储能设备等诸多领域。然而,传统的基于单层电解质体系的全固态电致变色器件常受限于光学透过率和溅射效率的不足。本工作利用反应直流磁控溅射技术成功制备了基于LiAlO_(x)/Ta_(2)O_(5)/LiAlO_(x)(ATA)三明治结构电解质的全固态电致变色器件。通过引入ATA三明治结构电解质,所制得的七层体系电致变色器件(ITO/NiO/LiAlO_(x)/Ta_(2)O_(5)/LiAlO_(x)/WO_(3)/ITO)兼具了优异的透光率和可观的溅射效率。该全固态电致变色器件取得了令人满意的着色效率(79.6 cm^(2)/C),更快的响应速度(着色时间1.9 s,褪色时间1.6 s)以及数百次循环的良好稳定性。此外,ATA三明治结构电解质充分利用了Ta2O5优异的离子传输速率和稳定性,并提供了足够的锂离子以满足快速变色切换的需求。因而,通过连续直流溅射制备的基于ATA三明治结构电解质的全固态电致变色器件有望为高性能电致变色器件的量产和实际应用提供重要的指导。

基于WO_3和NiO_x的单基片全无机智能窗器件的快速制备及其性能的研究

介绍了利用磁控溅射和一种液氮冷却装置，制备非晶态WO3薄膜、非晶态LiNbO3薄膜和纳米微晶态NiOx薄膜的有效方法。进而，使用这种液氮冷却装置，采用全程基片冷却方法，制备了单基片无机全固态智能窗——G｜ITO｜NiOx｜LiNbO3｜WO3｜ITO器件。实验结果表明，在400800nm的可见光范围内，该器件经过1000次循环后，它的漂白态透射率为63．0％，而着色态透射率为10．6％，这一初步工作表明，基片冷却方法应该是制备有优异性能的无机全固态电致变色智能窗的有效方法。

电致变色器件中WO_3薄膜高温环境性能退化机理

目的研究ITO/WO_3/LiTaO_3/NiO_x/Al反射式无机全固态薄膜中WO_3薄膜在高温环境中的性能退化机理。方法采用直流反应磁控溅射法制备电致变色器件和WO_3单层薄膜,并进行高温加热试验。对电致变色整体器件进行反射率变化量的测试,对WO_3薄膜进行微观结构分析和电化学循环特性分析。结果电致变色器件经不同温度加热后,350℃以下,反射率变化量下降不明显,350℃以上反射率变化量明显降低,WO_3薄膜发生了非晶结构向晶体结构的转变。WO_3薄膜的电化学循环特性为:随着加热温度的升高,电致变色响应时间增大,350℃以上,响应时间急剧增大,电致变色性能降低明显,但电致变色循环稳定性更好。结论 WO_3薄膜疏松多孔的非晶结构能提供更多的离子(电子)注入和传输通道,电致变色性能更好,但疏松多孔结构循环稳定性较差。致密的晶体结构因通道闭合,离子(电子)不易注入和传输,电致变色性能较差,但致密结构循环稳定性较好。

溶胶–凝胶旋涂法制备电致变色智能窗用钛酸锂薄膜

从可见光到近红外波段透过率可调制的电致变色材料,对于智能窗及其热管理方面的应用来说极具吸引力。钛酸锂是一种有潜力的电致变色阴极材料,但对其在智能窗领域的应用前景还缺乏相关的数据支持。本工作采用溶胶–凝胶旋涂法制备透过率高、结晶性好的钛酸锂(Li_(4)Ti_(5)O_(12))薄膜,通过联用电化学工作站和紫外–可见分光光度计原位表征了其电致变色性能。实验发现所有Li_(4)Ti_(5)O_(12)薄膜对扫描速率等测试条件十分敏感,且有优异的双波段调制性能。此外,Li_(4)Ti_(5)O_(12)薄膜厚度对材料的初始态透过率、调制幅度、响应时间、电压窗口和循环耐久性均有显著影响。其中450 nm厚的Li_(4)Ti_(5)O_(12)着色/褪色响应时间分别为19.1和8.9 s,透过率调制在可见光区(550 nm处)为45%,经过20000 s连续循环,性能未发生明显衰退。Li_(4)Ti_(5)O_(12)薄膜在近红外波段(1000 nm处)的透过率调制高达80%,表现出优秀的节能潜力。本研究成功组装了由灰色至蓝色、循环性能良好的全固态无机电致变色器件:Glass/FTO/Li_(4)Ti_(5)O_(12)/LiNbO3/NiOx/ITO,证明钛酸锂作为电致变色智能窗材料有潜力走向普及应用。

磁控溅射法制备WO3薄膜高温组织及色变性能分析

采用高温退火处理无机全固态薄膜与WO3膜层,分析其在高温条件下电致变色性能的改变机制。结果表明:温度升高至250℃时,薄膜反射率变化量未发生显著改变,温度进一步升高,薄膜反射率的变化量快速降低。低于250℃时WO3以非晶态结构存在;温度升高到250℃后,WO3由非晶态结构逐渐转变为晶体结构。当基底温度升高后,WO3发生电致变色过程所需的响应时间加长。随加热温度的上升,WO3薄膜循环伏安曲线面积并未发生明显改变,温度超过250℃后,反应所需的电荷量显著降低,电致变色性能显著减小。