[发明专利]一种智能变色窗制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料领域，特别涉及一种利用化学和电化学集成方法制备智能变色窗的方法。 

背景技术

电致变色器件（Electrochromic Device）是指在两电极施加电压作用下，其光学性质发生变化的一类装置。器件的光学性质一般包括其颜色、透射率、反射率、折射率和表面辐射率等。利用电致变色材料的这一特性构造的玻璃窗可以按照周围环境实际需要或人的意愿实现对太阳光的动态调节，这种类型的装置玻璃被称为智能窗(Smart Window)。正是由于可以按照需要可控调节太阳光进入建筑物的能量，智能窗可以显著节约建筑照明能耗、供热能耗以及致冷能耗，从而实现建筑节能目的。目前我国既有建筑约500亿平方米、95%以上是采用普通单层或普通双层平板玻璃窗，建筑舒适度低，供热致冷能耗高。而我国每年城乡建设新建房屋建筑面积约50亿平方米、并且保持约10%年增长率。推广和使用智能窗来取代现有商业和民用普通单层或普通双层窗，可以提高生活质量，降低建筑能耗，符合国家节能环保产业发展政策，具有广阔的国内国际市场前景。 

电致变色器件，见图1，通常由五层材料在衬底1上堆叠而成：第一导电层2、电致变色层3、离子导电层4、离子存储层5和第二导电层6。电致变色层3在电化学反应作用下，其光学性质发生变化。当在两导电层2和6上施加相对电压的情况下，离子（H+或Li+）在电势作用下通过离子传导层4在电致变色层3和离子存储层5之间来回传输，实现器件的漂白和着色状态。 

其中，电致变色层3通常由无机固态电致变色材料制成，无机固态电致变色材料一般为过渡金属的氧化物，如阴极电致变色材料W、Mo、V、Nb、Ti、和Ta的金属氧化物和其混合氧化物，阳极电致变色材料Ni、Cr、Mn、Fe、Co、Rh和Ir的金属氧化物或其混合氧化物。 

以一种典型阴极电致变色材料WO₃为例，在离子的插入和抽取下，发生如下电化学反应而引起材料颜色变化： 

无色    蓝色 

其中，M+是H⁺、Li⁺等碱金属离子，或其他D⁺、K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺等碱金属离子和碱土金属离子。当电子和离子注入透明的氧化钨薄膜中时,薄膜就会变成蓝色。当离子和电子被抽出时，膜又还原成原来的透明状态。 

此外，其他阴极电致变色材料可发生如下电化学反应而引起材料颜色变化： 

无色    蓝色 

黄色    浅蓝色 

无色     浅蓝色 

无色    蓝色 

以一种典型的阳极电致变色材料NiO为例，在离子的插入和抽取下，发生如下电学反应而引起材料颜色变化： 

浅绿色    棕黑色 

其中，(1)对应质子H+的抽取模型，即把质子从薄膜中抽出，使材料颜色发生变化；（2）对应于OH-的插入模型，即把OH-注入到薄膜中而材料颜色随之发生变化。 

此外，其他阴极电致变色材料可发生如下电化学反应而引起材料颜色变化： 

无色     蓝黑色 

尽管电致变色智能窗具有诸多优点，然而其推广应用仍有许多的困难。 

其一，现有商业化电致变色智能窗主要上述五层材料制备方法全部或大部分用磁控溅射物理气相沉积方法。该方法需要高真空，设备昂贵，生产成本高，主要有美国等少数几家企业使用该方法制备大面积建筑用智能窗户。目前，建筑用智能窗户价格昂贵，是一般普通玻璃窗价格的5到10倍，是其它种类高档节能玻璃窗，如低辐射率（Low-E） 玻璃3-5倍。市场的广泛接受程度还很低。 

二是，现有商业制备方法物理气相沉积方法固有的线性沉积特性，即如果衬底表面不平整，将导致沉积薄膜厚度不均匀。这就限制其只能在平面玻璃上制备电致变色装置。目前世界上还不能在曲面玻璃上制备大尺寸智能变色装置。而我们知道在汽车，火车，飞机及游轮等交通工具上窗用玻璃都是有一定的曲面的。 

三是，目前世界上现有智能窗装置，全部采用导电离子Li+来实现电致变色，相对比更小H+而言变色转换速度较慢。 

四是，早期电致变色器件采用的离子传导层为液相电解质形式，此类器件由于存在漏夜、易变形、着色不均匀、不适合大面积生产等缺点，不能真正实现商业化生产。