電致變色玻璃

發展歷史

電致變色(electrochromic, EC）是指由於外加電場的極性和強度的變化而引起材料可逆的氧化或還原反應，從而導致其顏色改變的現象。自從1973年，S.K.Deb發現WO3的電致變色現象以來，科學家們就進行了不斷地研究和探索。但是，直到1987年，美國的Gentex公司才真正將此技術引入到人們的生活中來，開發的基於電致變色材料的自動防眩汽車後視鏡，最早配備於一些高檔豪華汽車中，現在已經成為了許多汽車的標準配置。2011年，Gentex公司提供的自動防眩汽車後視鏡占市場份額約87%,同時可用於飛機舷窗的電致變色玻璃產品也已經成功推向市場，年銷售額已達10億美元。但是Gentex公司採用的電致變色材料是有機材料，使用液態電解質。製作工藝比較簡單，成本較低，但由於有機材料的不穩定性和受紫外線的影響較大，不適合用作建築物的外牆玻璃。因此，近年來歐美等發達國家為適應日益增強的建築節能的需求，積極開發適用於建築外牆的全固態大面積電致變色玻璃技術，並已基本實現了產業化。

電致變色玻璃結構

電致變色玻璃一般是在兩層玻璃之間夾有5個薄膜層，如圖所示，分別為透明導電層（ITO∶In2O3:Sn）、電致變色層（EC: Electrochromic Layer）、離子傳導層（電解質層electrolyte）、離子存儲層（IS:Ion Storage）及另一透明導電層。

透明導電層（Transparent conductor）

透明導電層主要作為電極材料，起導電作用，用於施加器件著、退色所需電流或電壓。其導電特性決定了電致變色器件的轉換速度。因此需要該層具有較高的電導率、在可見光區有較好的光學透過率、以及較好的化學（電化學）穩定性和耐久性。常用的材料是半導體氧化物，其中ITO(indium-tin-oxide)或摻鋁的氧化鋅薄膜是比較合適的材料。這類材料的薄膜多是通過電子束蒸發和濺射等方法製備。

電致變色層(Electrochromic layer)

電致變色層是器件的核心部分，即前文提到的電致變色材料，對該層的要求是退色態和著色態有較好的光學對比度。即對透射式器件，要求退色態要有較好的可見光透過性，著色態對太陽光譜具有選擇吸收或反射特性。對於顯示器件，要有較好的色彩對比度。除了有機和無機材料以外，現在也有採用無機混合材料、有機混合材料和無機一有機混合材料作為變色層，這是改善材料電致變色性能的一個重要方向，可以通過這種方法改善單組分材料的電致變色性能或提高器件的壽命。

電解質層或稱離子導電層(Ion conductor layer)

它是電致變色器件的一個重要組成部分。它應滿足以下要求：提供電色材料所需的補償離子；有較高的離護電導率和較低的電子電導率；器件以透射模式工作時，電解質必須透明；對EC和CE層無腐蝕性，不發生不可逆化學反應，易於製成薄膜。常用的電解質有液體電解質和固體電解質。在基礎研究中大都使用液體電解質作為離子導體，因為它的電導率高，能提供較快的電致變色回應，但使用不便（如器件封裝、液體的凍結、引力作用導致著色不勻等缺點）。在實用中為了實現薄膜化、易於封裝、避免腐蝕，常採用固體快離子導體（Fast ion conductor,FIC）。固體電解質具有較好的開路記憶能力，也易於封裝，但回應比較慢。介於二者之間的聚合物凝膠電解質最近比較得到重視。常用的液體電解質有酸、堿和高氯酸鏗的PC溶液。固體電解質有MgF2，LiAlF4，Ta2O5等。凝膠聚合物電解質主要有Nafion, Poly-AMPS和PEO+LiClO4等。

對電極層或離子存儲層（Ion storage layer)

在著色過程中起平衡電荷的作用，作為電子的收集/發射體，它應具有可逆電化學性質並具有離子電子混合傳導率。目前有將氧化鎢和普魯士藍氧化鎢和聚苯胺，氧化鎢和氧化鈦，氧化鎢和氧化鎳等分別作為電致變色層和對電極層的器件報導，採用兩種變色材料分別作為電色層和對電極層，可以提高器件的著色效率，減少能量消耗。兩種材料的性能相互匹配才能提高器件的性能，同時所採用的電解質層也必須合適才能起到比較好的作用。對氧化鎢變色材料合適的電解質一般是鋰鹽電解質，k+更適用于普魯士藍。

電致變色機理

以陰極著色的WO3器件為例，電致變色原理是當器件兩端沒有加電壓時，初始狀態的電致變色層是無色或淺色的。當在器件兩端加上電壓後，儲存在離子存儲層的鋰離子在電場的作用下經過電解質層注入到WO3薄膜的晶格空隙中，形成鎢青銅LiWO3-x，導致W6+被還原成低價的W5+，電子從W6+到W5+ 的帶間躍遷吸收光子而引起變色。這一反應的公式如下： WO3+ne-+nLi+→ LinWO3