11 智能变色窗

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薄膜材料与器件
电致变色器件
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。




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薄膜材料与器件
电致变色

Stadt Sparkasse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。
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薄膜材料与器件
电致变色

伦敦新地标：瑞士再保险大楼
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薄膜材料与器件
电致变色

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
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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(Smart window)，成为电致变色研究的另一个里程碑。

漂白 A —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
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无机电致变色材料

WO3：
������������3 + ������������+ + ������������ 着色 漂白 ������������ ������������3



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薄膜材料与器件
电致变色历史

1999年，德国德累斯顿Stadt Sparkasse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。


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。
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无机电致变色材料

V2O5：
������2������5 + ������������������ + + ������������ 着色 漂白 ������������������ ������2������5
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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 WO3 MoO3 Nb2O5 V 2O 5 TiO2 NiOx Ir2O3 Rh2O3 CoOx LuH(PC)2 InN
颜色变化 无色↔深蓝色或黑色 无色↔浅蓝色 黄色↔蓝色 无色↔浅蓝色

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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。

结构：五层结构
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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。
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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。
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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
2005年，法拉利 Superamerica 575M 跑车的挡风玻璃和顶 棚玻璃首先采用了电 致变色技术。
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电致变色
法拉利Superamerica 575M 复旦大学材料科学系 薄膜材料与器件
电致变色
PPG Aerospace 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。 PPG Aerospace 公 司副总裁David Morris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。”

阴极着色：������������������ + ������������ + ������������
+
着色
������������ ������������������
阳极着色：������������ ������������������
着色 漂白
−
������������������ + ������������+ + ������������ 着色 ������������ ������������������
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智能变色窗
沈杰 复旦大学材料科学系
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。 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



着色：离子注入

退色：离子抽出
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。 薄膜材料与器件
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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。


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。
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无机电致变色材料

MoO3：
������������������3 + ������������+ + ������������ 着色 漂白 ������������ ������������������3
阴极着色 无色↔蓝色
阳极着色 无色↔黑褐色 无色↔蓝黑色 黄色↔深绿色 红色↔蓝色 紫色↔蓝色↔绿色↔ 红色 橙黄色↔红褐色↔灰色
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无机电致变色材料

漂白 MO 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。


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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。 薄膜材料与器件
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无机电致变色材料

Nb2O5：
电子禁带宽度为3.18 eV，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。


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。
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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。 薄膜材料与器件