4811 智能变色窗

智能变色窗复旦大学材料科学系薄膜材料与器件沈杰复旦大学材料科学系薄膜材料与器件智能窗未来窗概念——多功能的“围护设备”。致变窗户和遮阳系统，例如电动遮阳系统、电致变色或气致变色窗户以及双层窗-墙体系统，这些系统中窗户的光学和热工性能可随气候特征、使用者的偏好和建筑系统要求不同而变化。调控照明和空调制冷，智能窗户可以降低电力负荷峰值达20%~30%，增加采光并提高居住舒适度以及居住者的工作效率。致变窗户——被动式和主动式被动式致变窗户能够对单一环境变量发生响应，例如光照水平和温度主动式致变窗户可以响应任何控制变量，例如居住者的喜好或采暖和制冷系统的要求。被动式致变主要有光致变色和热致变色；主动式致变元件包括液晶元件、悬浮颗粒和电致变色。复旦大学材料科学系薄膜材料与器件变色变色：材料的光学属性（反射率、透过率、吸收率等）在外场（电、光、热）的作用下发生稳定、可逆的颜色变化的现象，在外观上表现为颜色和透明度的可逆变化。变色龙皮肤有三层色素细胞，最深的一层是由载黑素细胞构成，其中细胞带有的黑色素可与上一层细胞相互交融；中间层是由鸟嘌呤细胞构成，它主要调控暗蓝色素；最外层细胞则主要是黄色素和红色素。基于神经学调控机制，色素细胞在神经的刺激下会使色素在各层之间交融变换，实现变色龙身体颜色的多种变化。复旦大学材料科学系薄膜材料与器件变色窗电致变色光致变色可根据光强来改变透明性。主要应用在眼镜上，能从室内昏暗条件下的透明状态转变成室外明亮条件下的暗色状态。低成本、大尺寸、使用耐久难题，无商业化生产。热致变色可根据温度来改变透明性。在玻璃或塑料间使用凝胶剂夹层，它能够从低温时的透明状态转变为高温时的白色漫反射状态，适合做天窗，需预设一个开关温度，当空调负荷过高时阻断太阳辐射。玻璃的温度是太阳辐射强度和室内外温度的函数，热致变色能够调节进入储热设备的太阳能总量。无商业应用。复旦大学材料科学系薄膜材料与器件变色窗液晶窗非常薄的液晶元件夹在两个透明薄膜电极之间，是一种三明治结构。当电源关闭时，液晶元件处于随机无排列状态。太阳光照到其上时发生漫射，玻璃表现呈半透明状态，透过玻璃的视野变得模糊。当电源开启时，液晶元件中在电场作用下重新排列，玻璃在几分之一秒内变得透明，且两面都具有较好的视野。悬浮颗粒窗采用了一种液状薄膜层，薄膜层里面含有大量的悬浮微粒子。在电源关闭时，颗粒的朝向是随机的，部分颗粒会阻挡阳光透过，影响视野。电源开启时，可在分散的颗粒薄膜层上施加电场，排列颗粒，从而提高透射比。需要大约100V的交流电来使其由关闭状态（有色）切换到开启状态（接近透明），并且可以调整到任意的中间态。复旦大学材料科学系薄膜材料与器件电致变色历史早在20世纪30年代就有关于电致变色的初步报道。20世纪60年代，Plant在研究有机染料时发现有电致变色的现象，并进行了研究。1969年，S.K.Deb首次使用无定形WO3薄膜制备了电致变色器件，并提出了“氧空位色心”机理。20世纪70年代，出现了大量有关电致变色机理和无机电致变色材料的报道。80年代末以来，新型有机电致变色材料合成和电致变色器件的制备研究领域日益活跃。这期间，美国科学家C.M.Lampert和瑞典科学家C.G.Granqvist等人提出了以电致变色膜为基础的一种新型节能窗，即智能调光窗(Smartwindow)，成为电致变色研究的另一个里程碑。复旦大学材料科学系薄膜材料与器件电致变色历史1999年，德国德累斯顿StadtSparkasse储蓄银行新大楼拥有欧洲第一面用电致变色玻璃制成的可控制外墙。2004年1月，英国伦敦的瑞士再保险大厦玻璃幕墙使用电致变色技术。2005年1月，法拉利Superamerica敞篷跑车的挡风玻璃和顶棚玻璃采用了电致变色技术。2008年7月，波音787客机客舱窗玻璃淘汰了机械式舷窗遮阳板采用了电致变色技术。2009年12月15日，波音787梦幻客机试飞成功。复旦大学材料科学系薄膜材料与器件电致变色StadtSparkasse储蓄银行为德国德累斯顿的一座新建筑物。这座大楼拥有欧洲第一面用电致变色玻璃制成的可控制外墙。复旦大学材料科学系薄膜材料与器件电致变色伦敦新地标：瑞士再保险大楼复旦大学材料科学系薄膜材料与器件电致变色2005年，法拉利Superamerica575M跑车的挡风玻璃和顶棚玻璃首先采用了电致变色技术。其次是玻璃顶内藏电子变色调的技术，这也是量产型跑车首创的设备。驾驶人可以凭中控台上的旋钮，作5级段的光暗调校，由最透光调至最暗只需60秒，透光率由1至15％，太阳热能则由0.5至7％，确保车厢在烈日下仍可享有清凉的感受之外，下雨天也可看到雨点打在车顶。复旦大学材料科学系薄膜材料与器件电致变色法拉利Superamerica575M复旦大学材料科学系薄膜材料与器件电致变色PPGAerospace公司展示了波音787飞机上使用的该公司的电致变色窗技术，该项技术能够使乘客通过触动按钮变暗或弄亮他们跟前的窗口，从而获得舒服的旅行体验。电致变色玻璃窗可以让乘客调整由暗到亮五个不同级别的光度。PPGAerospace公司副总裁DavidMorris说：“乘客将能够控制进入机舱的太阳能热量，为了更舒服乘客可以减少机舱内太阳光以及热发散量，同时还可以减轻加热以及空调系统的压力。由于不再有窗影产生，飞机内部空间也将更加吸引人。”复旦大学材料科学系薄膜材料与器件电致变色器件结构：五层结构TC为透明导电层，其作用是与基体玻璃构成导电玻璃。TC层导电特性直接影响电致变色玻璃“着色↔漂白”的可逆转换速度，因此必须具有很好的电导率，同时有很高的可见光透过率，化学稳定性好。常用的透明导电膜为氧化铟锡（ITO）、掺铝氧化锌（AZO）膜等。复旦大学材料科学系薄膜材料与器件电致变色器件EC为电致变色层，EC层材料是一种电子和离子的混合导体，在外加电场的作用下，该层中离子的注入或抽出，使得整个器件发生无色和着色的可逆变化，是电致变色玻璃的核心部分。复旦大学材料科学系薄膜材料与器件电致变色器件IC为离子导体层又称为电解质层，只允许离子通过，用于传导变色过程中的离子。室温下的电解质层要有高的离子电导率，高的电子电阻率；在所要求的光谱区域内，具有高的透射率或反射率；具有好的化学和机械稳定性，对EC层和CE层没有腐蚀作用。复旦大学材料科学系薄膜材料与器件电致变色器件电解质按其形态可分为液态、固态和凝胶态，电致变色器件全固态化的关键材料。液态电解质：很高的离子电导率，有足够的离子参与变色层的电化学反应腐蚀性强、化学稳定性差、抗恶劣环境能力差，封装困难，实际应用很少固态电解质：固态锂盐，如LiNbO3、LiBO2、LiF、Li3N、LiTaO3等高分子凝胶电解质：在智能窗上应用较多，以有机玻璃（PMMA）的疏松网状为骨架，将锂盐和丙烯碳酸脂、乙烯碳酸脂等混合在易挥发性溶剂中，浇注而成，透明柔软。复旦大学材料科学系薄膜材料与器件电致变色器件CE为离子储存层也称为对电极层，使离子达到平衡，用于提供和储存变色所需的离子，平衡电荷传输，要求具有离子插入的可逆性、较好的透明性和较快的反应速度，是电子和离子的混合导体。离子存储层的理想材料是互补型对电极，即阴极为电致变色材料着色，而阳极为对电极材料着色，在外加电压的作用下，阴、阳两极将会同时着色或漂白，从而使着色态颜色更深，而漂白态透光率更高。复旦大学材料科学系薄膜材料与器件电致变色原理电致变色机理：电化学作用理论氧空位色心理论双注入理论小极化子吸收模型双注入理论：变色是由材料中的离子和电子被注入和抽出产生的。当玻璃的导电层加上正相直流电压时，离子储存层内的离子被抽出，通过离子导体层，进入电致变色层，实现电致变色层颜色的改变，使系统由原来的初始透明状态变为着色状态当玻璃的导电层被加上反相直流电压时，电致变色层的离子被抽出，通过离子导体层，又回到离子储存层内，使系统由着色状态恢复到原来的初始透明状态。着色：离子注入退色：离子抽出复旦大学材料科学系薄膜材料与器件电致变色材料无机材料：过渡金属氧化物有机材料：紫罗碱(Viologen)，四硫杂富瓦烯(TTF)电致变色材料着色方式颜色变化WO3阴极着色无色↔蓝色MoO3无色↔深蓝色或黑色Nb2O5无色↔浅蓝色V2O5黄色↔蓝色TiO2无色↔浅蓝色NiOx阳极着色无色↔黑褐色Ir2O3无色↔蓝黑色Rh2O3黄色↔深绿色CoOx红色↔蓝色LuH(PC)2紫色↔蓝色↔绿色↔红色InN橙黄色↔红褐色↔灰色复旦大学材料科学系薄膜材料与器件无机电致变色材料阴极着色：𝑀𝑂𝑦+𝑥𝐴++𝑥𝑒着色漂白𝐴𝑥𝑀𝑂𝑦MO是金属氧化物（无色），M具有较高的氧化态，A+是插入的正离子（如H+、Li+等），产物AxMOy（着色）中M的氧化态降低了。阳极着色：𝐴𝑥𝑀𝑂𝑦着色漂白𝑀𝑂𝑦+𝑥𝐴++𝑥𝑒𝑀𝑂𝑦+𝑥𝐵−−𝑥𝑒着色漂白𝐵𝑥𝑀𝑂𝑦A—阳离子，如H+、Li+、Na+、Ag+等；B—阴离子，如F-、CN-、OH-等；M—金属元素。0≤x≤1复旦大学材料科学系薄膜材料与器件无机电致变色材料WO3：𝑊𝑂3+𝑥𝐴++𝑥𝑒着色漂白𝐴𝑥𝑊𝑂3制备方法：溶胶—凝胶法、浸渍法、化学气相沉积法、物理气相沉积法、热蒸发、电子束蒸发和溅射、阳极氧化、磁控溅射法等。复旦大学材料科学系薄膜材料与器件无机电致变色材料MoO3：𝑀𝑜𝑂3+𝑥𝐴++𝑥𝑒着色漂白𝐴𝑥𝑀𝑜𝑂3在无定形和多晶态的MoO3薄膜中都发现了电致变色特性，HxMoO3与HxWO3的吸收谱相似，都在红光0.87µm附近，MoO3的着色机理同WO3相似，MoO3薄膜电致变色时呈紫蓝色。复旦大学材料科学系薄膜材料与器件无机电致变色材料V2O5：𝑉2𝑂5+𝑥𝐿𝑖++𝑥𝑒着色漂白𝐿𝑖𝑥𝑉2𝑂5在酸性溶液中的溶解度比较大，只能用碱或水作电解质。非晶体的V2O5薄膜为黄色，发生电致变色后薄膜呈蓝绿色。具有双着色特性，即具有阴、阳两种电致变色特性，且对大部分太阳光谱着色率很低，单独使用难以作为主电致变色材料，通过掺入其它氧化物如TiO2，可以提高V2O5薄膜的着色率和稳定性，也可以与其它材料，特别是WO3配合作为对电极材料。复旦大学材料科学系薄膜材料与器件无机电致变色材料Nb2O5：电子禁带宽度为3.18eV，薄膜的着色效率低，循环寿命短。优点是着色时具有多种颜色，从非晶态薄膜的棕色到晶态薄膜的灰色(晶粒尺寸小于25nm)和蓝色(晶粒尺寸大于30nm)，可通过控制薄膜层的晶粒尺寸以及非晶结构，来调整薄膜着色后的色彩。可由阴极氧化法或溶胶—凝胶法制成复旦大学材料科学系薄膜材料与器件无机电致变色材料NiOx：NiOx是典型的阳极着色材料，具有相当优异的电致变色性能，与WO3配合可以达到很高的光调节率。在碱性环境下NiOx发生电致变色现象，薄膜颜色由透明变为黑棕色，具有较快的消色速度和很长的循环寿命。复旦大学材料科学系薄膜材料与器件无机电致变色材料TiO2：𝑇𝑖𝑂2+𝑥𝐿𝑖++𝑥𝑒着色漂白𝐿𝑖𝑥𝑇𝑖𝑂2非晶体TiO2的禁带宽度为2.88eV，吸收带边缘为0.43µm，电致变色后吸收带移至0.415eV。通常由溶胶—凝胶法制成，掺入高分子聚胺和CeO2可以显著提高其物理化学性能。复旦大学材料科学系薄膜材料与器件有机电致变色材料𝑀+𝑚𝑋𝑝++𝑚𝑝𝑒→←𝑀𝑋𝑚M—聚合物，X—掺杂的正离子，p、m—1、2、3…正整数。化学反应为可逆过程，随着电压的变化，共轭高分子由绝缘态变为导电态，颜色也随之发生变化。色彩变化一般为多色，且易于通过分子设计来优化性能，其光学性能好，颜色转换快，循环可逆性好。通过有机合成制得，制备工艺复杂，不易实现全固化，耐辐射性能差，化学稳定性不高。主要有紫罗精类、金属酞箐类化合物等