CN102486589B - 可涂布光电致变色元件及模块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可涂布光电致变色元件及模块。所述元件，包括透明基材、位于透明基材上的薄膜太阳能电池与至少一单一极性电致变色薄膜，其中单一极性电致变色薄膜包含单一极性电致变色材料与聚电解质。所述薄膜太阳能电池至少具有一正极层、一负极层与位于正、负极层之间的一光电转换层，且部分正极层自该薄膜太阳能电池中露出。而单一极性电致变色薄膜则同时覆盖负极层与露出的正极层。

Description

可涂布光电致变色元件及模块
技术领域
本发明是有关于一种电致变色元件，且特别是有关于一种结构简单的可涂布光电致变色元件(printable photovoltaic electrochromic device)及模块。
背景技术
所谓的电致变色元件为一种由导电物质组成、可借由施加电场或电流引起可逆的氧化/还原(redox)反应而产生颜色变化的元件。电致变色元件的制作需满足下列几种特性，包括：不同电位下所呈现的颜色必须能够很容易分辨、颜色的变化快速且均一、元件颜色的可逆变化需能够重复上万次以上，以及稳定性高。常见的电致变色元件包括固态型表面限制薄膜型(surface confinedthin film)电致变色元件以及溶液型电致变色元件。
固态型表面限制薄膜型电致变色元件的结构是由上、下两层透明基材加上其间的电致变色多层膜所组成。其中电致变色多层膜类似电池的结构，至少含五层不同功能的涂/镀层，如透明导电层、电致变色层、电解质层、离子储存层以及透明导电层。至于溶液型电致变色元件的结构则比较简单，由上、下两个透明导电基材组成，借由环氧树脂胶，以电极层相向的方式贴合两面基材，其间配置电致变色有机溶液，溶液的成分包含氧化或还原型电致变色有机小分子材料、高分子电解质(polymer electrolyte)以及溶剂。
虽然电致变色技术历经多年的研究，但大面积电致变色元件因为电极是位于元件边缘，所以因为电致变色元件平面中心与边缘的电场路径长短不同，造成在边缘区域和中心区域的阻抗有明显的差异。而阻抗的差异则变色浓度由边缘起至中心区域呈现同心椭圆形梯度变化，影响变色效果的均匀度。
为拓展电致变色技术的应用范围，已有多项结合光电技术与太阳能电池的相关研究提供了更多样化的方向。例如美国专利US 6369934B1所公开的一种全有机多层式光电化学装置，将光敏感层与电致色变层分开于两极，以利组成元件。这样的元件可以形容为把电变色材料嵌入染料敏化太阳能电池，其电变色材料为三氧化钨(WO3)，并以钌(Ruthenium)系染料(Ru-dye)为主。其元件结构包括两片透明导电基材与其间一层由光敏感材料构成的工作电极层、一层导离电解质层与一层由电变色材料构成的辅助电极层。然而这种典型的结构对于实际开发应用方面仍有诸多问题亟待解决，像是光敏感层的稳定性或元件大面积化的可行性。
再者，美国专利US 5377037公开一种太阳能电池和电变色装置结合成单一装置的设计，主要是在第一面导电玻璃基材上，将硅薄膜太阳能电池以迭层(tandem)方式和无机电变色装置结合，而以相向的方式将硅薄膜太阳能电池模块和另一面透明导电玻璃基材结合，其间配置有液态有机电解质溶液或固态无机电解质层。但由于该技术所得到的变色前后的光学对比(optical contrast)相对低，变色效益不大，为了提高硅薄膜太阳能电池的透光度而降低薄膜太阳能电池的本质层(intrinsic layer)厚度又会使该元件容易产生短路，不易推广到智能窗的应用。
例如中国专利公开号TW201003931与美国专利公开号US 2010/0208324A1提出几种液态型太阳光电电致变色元件，其中的电极是平均散布于整面基材上，因此可形成均匀的电场，让电致变色溶液在不同区域有相同的变色程度，避免虹膜效应的发生。
上述专利虽然可改善变色均匀度，但是其中使用电致变色溶液与液态电解质，所以容易有漏液问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可涂布光电致变色元件，其中的电致变色薄膜为可涂布(printable)材料且不需外加电解质。
为实现本发明的目的而提供一种可涂布光电致变色元件，至少包括透明基材、位于透明基材上的薄膜太阳能电池与至少一单一极性电致变色薄膜，其中单一极性电致变色薄膜包含单一极性电致变色材料(electrochromicmaterial)与聚电解质(polyelectrolyte)。所述薄膜太阳能电池至少具有一正极层、一负极层与位于正、负极层之间的一光电转换层，且部分正极层自薄膜太阳能电池露出。而单一极性电致变色薄膜则同时覆盖负极层与露出的正极层。
为实现本发明的目的还提供一种可涂布光电致变色元件，至少包括透明基材、位于透明基材上的薄膜太阳能电池与至少一单一极性电致变色薄膜，其中单一极性电致变色薄膜包含单一极性电致变色材料与聚电解质。所述薄膜太阳能电池至少具有一正极层、一负极层与位于正、负极层之间的一光电转换层，且部分负极层自薄膜太阳能电池露出。而单一极性电致变色薄膜则同时覆盖正极层与露出的负极层。
所述单一极性电致变色材料包括正极电致变色材料或负极电致变色材料。
所述单一极性电致变色材料包括纳米结构电致变色材料。
其中纳米结构电致变色材料包括如金属氧化物纳米结构、金属复合物纳米结构或导电高分子纳米结构。
所述纳米结构电致变色材料包括纳米粒子、纳米柱、纳米线、纳米球体或纳米管。
所述金属氧化物纳米结构包括WO3、V2O5、NiOx或CuOx。
所述金属复合物纳米结构包括普鲁士蓝延伸物(prussian blue analog)或六氰铁化铟(indium hexacyanoferrate，InHCF)。
所述导电高分子纳米结构包括聚苯胺(polyaniline)纳米球体、聚吡咯(polypyrrole，PPy)纳米球体、或聚二氧乙基噻吩(PEDOT)纳米球体。
所述聚电解质包括阴离子型聚电解质或阳离子型聚电解质。
其中，阴离子型聚电解质(polyanionic)包括聚苯乙烯磺酸钠(sodiumpoly(styrene sulfonate)，PSS)、聚丙烯酸钠(sodium poly(acrylic acid)，NaPA)、聚丙烯酸(polyacrylic acid，PAA)、聚顺丁烯二酸(polymaleic acid，PMA)或聚全氟磺酸(poly(perfluoro-sulfonic acid)，PFSA)(商品名为Nafion
Figure BSA00000599312000031
)；
其中，阳离子型聚电解质(polycationic)包括聚二烯丙基二甲基氯化铵(polydiallyl dimethylammonium chloride，PDDA)、聚丙烯胺盐酸盐(polyallylamine hydrochloride，PAH)、聚离胺酸(poly-L-lysine，PLL)或聚乙烯亚胺(polyethyleneimine，PEI)。
所述至少一薄膜太阳能电池包括数个薄膜太阳能电池。这些薄膜太阳能电池可彼此串联在一起。
所述可涂布光电致变色元件包括覆板(superstrate)或底板(substrate)结构的光电致变色元件。
所述可涂布光电致变色元件还包括一封装材料，覆盖薄膜太阳能电池与单一极性电致变色薄膜。此外，还可在封装材料上覆盖一透明非导电基材。
所述透明基材包括软式基材。
所述可涂布光电致变色元件还包括一直流/交流转换装置，借以将薄膜太阳能电池提供的电流转换为市电。
所述可涂布光电致变色元件还包括一直流电荷储存装置，借以储存薄膜太阳能电池产生的电流。
所述可涂布光电致变色元件还包括薄膜晶体管，分别连接到薄膜太阳能电池的正极层与负极层两端，以便单独控制薄膜太阳能电池与外接电路的开关。
基于上述，本发明中的单一极性电致变色薄膜包含单一极性电致变色材料与聚电解质，再搭配部分露出正极层的薄膜太阳能电池，即可照光着色。因此，本发明的可涂布光电致变色元件不需外加电解质，一方面可免于一般液态电解液的漏液问题，也可整合于成单一层结构，利于快速制作。另外，本发明因为是用涂布工艺组成元件，因此如果将薄膜太阳能电池沉积在软式基材上，即可应用涂布方式完成本发明的可涂布光电致变色元件。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1是依照本发明的第一实施例的一种可涂布光电致变色元件的剖面示意图；
图2是图1的可涂布光电致变色元件的俯视示意图；
图3是依照本发明的一第二实施例的一种可涂布光电致变色元件的剖面示意图；
图4A是第一实施例的另一种可涂布光电致变色元件的剖面示意图；
图4B是图4A的可涂布光电致变色元件的俯视示意图；
图5是依照本发明的第三实施例的一种可涂布光电致变色模块的剖面示意图；
图6A是依照本发明的第四实施例的一种可涂布光电致变色元件的立体示意图；
图6B是依照本发明的第四实施例的另一种可涂布光电致变色元件的立体示意图；
图7是实验一的PANI/PSS单一极性电致变色薄膜的TEM相片；
图8是实验一的PANI纳米球体大小的曲线图；
图9是本发明的可涂布光电致变色元件与一种输出开关配置之间的电路示意图；
图10是本发明的可涂布光电致变色元件与另一种输出开关配置之间的电路示意图；
图11是本发明的可涂布光电致变色元件与薄膜晶体管的电路示意图。
其中，附图标记
100、600：透明基材
101、301：光
102、500、602：薄膜太阳能电池
104、604：单一极性电致变色薄膜
106、502、608：正极层
106’、108’：部分
108、504、612：负极层
110、506、610：光电转换层
200、406：输出开关配置
400：封装材料
402：透明非导电基材
404：反射镀膜
508、510：区域
900：直流/交流转换装置
902：市电
1000：直流电荷储存装置
1100：薄膜晶体管
具体实施方式
图1是依照本发明的一第一实施例的一种可涂布光电致变色元件的剖面示意图。
请参照图1，第一实施例的可涂布光电致变色元件为一种覆板(superstrate)结构的光电致变色元件，只需要透明基材100、位于透明基材100上的薄膜太阳能电池102与至少一单一极性电致变色薄膜104及可照光101变色。其中，单一极性电致变色薄膜104包含单一极性电致变色材料与聚电解质；透明基材100则譬如玻璃、塑料或软式基材。上述单一极性电致变色材料包括带有正电荷或负电荷的正极电致变色材料或负极电致变色材料，而且单一极性电致变色材料可为纳米结构电致变色材料，如金属氧化物纳米结构(nano structured metal oxide)、金属复合物纳米结构(nano structuredmetal complex)或导电高分子纳米结构(nano structured conducting polymer)等。上述纳米结构电致变色材料譬如纳米粒子(nanoparticle)、纳米柱(nanorod)、纳米线(nanowire)、纳米球体(nanosphere)或纳米管(nanotube)。上述金属氧化物纳米结构譬如WO3、V2O5、NiOx或CuOx。上述金属复合物纳米结构譬如普鲁士蓝延伸物(prussian blue analog)或六氰铁化铟(InHCF)。上述导电高分子纳米结构譬如聚苯胺(polyaniline)纳米球体、聚吡咯(polypyrrole，PPy)纳米球体、或聚二氧乙基噻吩(PEDOT)纳米球体。
至于单一极性电致变色薄膜104所含的聚电解质则可为阴离子型聚电解质或阳离子型聚电解质。阴离子型聚电解质依官能基可分为三类：磷酸根、羧酸根和磺酸根，阳离子型电解质则可分为铵根和硫根。举例来说，阴离子型聚电解质例如聚苯乙烯磺酸钠(sodium poly(styrene sulfonate)，PSS)、聚丙烯酸钠(sodium poly(acrylic acid)，NaPA)、聚丙烯酸(polyacrylic acid，PAA)、聚顺丁烯二酸(polymaleic acid，PMA)或聚全氟磺酸(poly(perfluoro-sulfonic acid)，PFSA)(商品名为Nafion
Figure BSA00000599312000061
)；阳离子型聚电解质(polycationic)例如聚二烯丙基二甲基氯化铵(polydiallyl dimethylammonium chloride，PDDA)、聚丙烯胺盐酸盐(polyallylamine hydrochloride，PAH)、聚离胺酸(poly-L-lysine，PLL)或聚乙烯亚胺(polyethyleneimine，PEI)。
单一极性电致变色薄膜104所含的正或负极电致变色材料包括带有正电荷的正或负极电致变色材料或带负电荷的正或负极电致变色材料。以PEDOT负极电致变色材料为例，PEDOT聚合方式为氧化聚合，故聚合完成后会带有正电荷(PEDOT)n+，n为化学计量，需搭配一阴离子型聚电解质(PSS-)，形成(PEDOT)n+(PSS)n-单一极性电致变色材料与聚电解质。相同的PANI正极电致变色材料的聚合方式也是氧化聚合，故聚合完成后会带有正电荷(PANI)m+，m为化学计量，需搭配一阴离子型聚电解质(PSS-)，形成(PANI)m+(PSS)n-单一极性电致变色材料与聚电解质。
请继续参照图1，薄膜太阳能电池102至少具有一正极层106、一负极层108与位于正、负极层106和108之间的一光电转换层110，且正极层106有一部分106’自薄膜太阳能电池102中露出。其中，正极层106的材料例如透明导电氧化物(transparent conductive oxide，TCO)、负极层108的材料例如透明导电氧化物及金属(如银、铝以及白金)。而单一极性电致变色薄膜104同时覆盖负极层108与正极层106露出的部分106’，因此当阳光101照射时，薄膜太阳能电池102立刻产生电子空穴对，让单一极性电致变色薄膜104中的单一极性电致变色材料产生氧化或还原反应，并透过聚电解质所提供的离子交换而使单一极性电致变色薄膜104达成变色效果。所以，第一实施例的可涂布光电致变色元件可借由上述可涂布(printable)的单一极性电致变色薄膜104，达成毋需外加电解质、元件工艺与结构简单等效果。
此外，如果透明基材100是软式基材，则本实施例可先在软式基材上沉积薄膜太阳能电池，再应用如卷对卷涂布(roll to roll coating)的涂布方式，就能完成图1的可涂布光电致变色元件，因此很适合大量商业化生产。
在图1中的薄膜太阳能电池102的正极层106是连续的，其电路配置可参照图2，其中显示以并联方式连接的薄膜太阳能电池型态，并省略图1其它构件。图2的负极层108是分别连接到一输出开关配置200，这种连续正极层106可提高薄膜太阳能电池发电的总电流量，但本发明并不限于此。
至于第一实施例的薄膜太阳能电池102可以是硅薄膜太阳能电池、铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池、镉碲(CdTe)薄膜太阳能电池、CIGS串接式薄膜太阳能电池或CdTe串接式薄膜太阳能电池；其中较稳定的是硅薄膜太阳能电池，如非晶硅(a-Si)薄膜太阳能电池、非晶硅与微晶硅串接式(a-Si/mc-Si tandem)薄膜太阳能电池或非晶硅与非晶硅串接式薄膜太阳能电池等。
图3是依照本发明的一第二实施例的一种可涂布光电致变色元件的剖面示意图，其中与第一实施例相同的元件符号代表相同或类似的构件。
请参照图3，本实施例的可涂布光电致变色元件为一种底板(substrate)结构的光电致变色元件，其负极层108有一部分108’自薄膜太阳能电池102中露出，而光301是从单一极性电致变色薄膜104入射。由于第二实施例的可涂布光电致变色元件属于底板结构的元件，所以单一极性电致变色薄膜104的变色情况有可能影响薄膜太阳能电池102产生电的条件，因此第二实施例的可涂布光电致变色元件可应用于需要循环式变色的元件。
另外，图4A与图4B显示以串联方式连接的薄膜太阳能电池型态的第一实施例的另一种可涂布光电致变色元件的剖面与俯视示意图。
请同时参照图4A与图4B，薄膜太阳能电池102的正极层106是呈条状排列的，且两两并不相接触。单一极性电致变色薄膜104同时覆盖薄膜太阳能电池102的正极层106及负极层102即可照光变色。单一正极层106与另一薄膜太阳能电池的负极层108连接，以串联方式连接至输出开关配置406。
此外，在形成单一极性电致变色薄膜104之后，还可在单一极性电致变色薄膜104上覆盖一封装材料400，如图4A。后续还可在封装材料400上覆盖一透明非导电基材402，如玻璃、塑料或可挠性基材。而在透明非导电基材402表面还可先形成一反射镀膜404，如一镀银或镀铝的薄膜，以形成镜面。
图5是依照本发明的第三实施例的一种可涂布光电致变色模块的剖面示意图，其中使用与第一实施例相同的元件符号来表示相同或类似的构件。
请参照图5，第三实施例的可涂布光电致变色模块包括透明基材100、位于透明基材100上的薄膜太阳能电池500与至少一单一极性电致变色薄膜104，其中单一极性电致变色薄膜104包含单一极性电致变色材料与聚电解质，可参照上一实施例。薄膜太阳能电池500则为整体式(monolithic)串联模块，其是由位于透明基材100表面的数个正极层502、位于正极层502上的数个负极层504及位于正极层502与负极层504之间的光电转换层506所构成。而每个薄膜太阳能电池500的正极层502与另一个的负极层504电性相连，完成薄膜太阳能电池500串联的连接。上述各层的材料均可参照上一实施例。
假设图5中的单一极性电致变色薄膜104为带有正电荷的正极或负极电致变色材料，需搭配一阴离子型聚电解质提供区域508与区域510的离子交换，所以不需外加电解质、不需双极性电致变色薄膜。单一极性电致变色薄膜104，因其组成只包含带有正电荷的正极或负极电致变色材料搭配阴离子型聚电解质，因此可避免传统需外加电解质及双极性电致变色薄膜的元件结构必须设计双极变色层的电量平衡才可达到变色均匀。所以即便图5中的多个薄膜太阳能电池500串联在一起，单一极性电致变色薄膜104中的带正电荷正极或负极电致变色材料，搭配阴离子型聚电解质会提供区域508与区域510的离子交换，也不会产生因为串联结构的不同压差使正负极电致变色材料因电量的不平衡产生过度氧化或过度还原反应的问题，因此可涂布光电致变色元件不会有照光着色不均的问题。
图6A是依照本发明的第四实施例的一种可涂布光电致变色元件的立体示意图。图6B是依照本发明的第四实施例的另一种可涂布光电致变色元件的立体示意图。
请参照图6A与图6B，第四实施例的可涂布光电致变色元件包括透明基材600、位于透明基材600上的图案化的薄膜太阳能电池602与至少一单一极性电致变色薄膜604，其中单一极性电致变色薄膜604包含单一极性电致变色材料与聚电解质，可参照以上的各个实施例。而薄膜太阳能电池602至少包含阳极608、光电转换层610以及阴极612。形成图案化的薄膜太阳能电池602的方法包含雷射切除(laser scribing)和喷砂(sand blasting)方法以移除光电转换层610和阴极612的一部分。薄膜太阳能电池602的类型和透明基材600、阳极608、光电转换层610和阴极612的材料已在第一实施例中描述。
当图6A或图6B中的单一极性电致变色薄膜604是由带有正电荷的正极或负极电致变色材料搭配阴离子型聚电解质时，当单一极性电致变色薄膜604中的正极电致变色材料变色，阴离子型聚电解质会提供阳极608上方与阴极612上方的单一极性电致变色薄膜604的离子交换，所以不需外加电解质、不需双极性的电致变色薄膜。
以下列举几个实验来证实本发明的功效，且于下列实验中是以硅薄膜太阳能电池与硅薄膜太阳能电池模块为范例。
实验一：制作单一极性电致变色薄膜
将0.6mmole苯胺单体加入含有0.5M HCl的20ml去离子水(DIW)；将1.0g聚苯乙烯磺酸钠(PSS)加入含20ml DIW。然后将以上两种溶液搅拌两小时后，加入0.7mmole过硫酸铵(ammonium persulfate，APS)作为氧化剂加入混合液中，并在室温下以700rpm搅拌12小时，完成带有正电荷的高分子纳米球体正极电致变色材料聚苯胺(PANI)搭配阴离子型聚电解质PSS的PANI/PSS混合物。以下是制备过程的反应式：
Figure BSA00000599312000101
以上的PANI纳米球体与PSS阴离子型聚电解质的合成方法是参考论文期刊Advanced Materials，19，1772-1775(2007)的“Fabrication ofwater-dispersible polyaniline-poly(4-styrenesulfonate)nanoparticlesfor inkjet printed chemical sensor application”的合成方式。
然后将PANI/PSS的混合物涂布到玻璃基板上，经干燥后可得PANI/PSS单一极性电致变色薄膜。利用TEM观察可知PANI/PSS单一极性电致变色薄膜具有PANI纳米球体，请见图7。
图8则显示利用动态光散射(Dynamic Light Scattering，DLS)仪器测量PANI纳米球体大小的曲线图。PSS的含量会影响到纳米球体的大小，以本实验所得的量测结果，有三个波峰分别约在10.7nm、51.0nm与488.1nm，所以纳米球体的大小范围大致从10nm～500nm。
以下的化学反应式则显示高分子纳米球体正极电致变色材料包括PANI纳米球体与PSS阴离子型聚电解质的电致变色机制为：
Figure BSA00000599312000111
以上化学反应式中：m为化学计量。
实验二：制作并检验可涂布光电致变色元件
准备一片5cm×6cm的透明玻璃基材，并在其上制作如图1般的硅薄膜太阳能电池，其中每一条状硅薄膜太阳能电池的正、负极的面积各为5cm×0.5cm，正极层为TCO(透明导电层)、负极层为TCO/Ag。这种硅薄膜太阳能电池的IV curve为：Voc＝0.93V、Jsc＝12.3mA/cm2、FF＝73.23％、Pmax＝20.94mW以及发电效率＝8.38％。
将实验一所得到的PANI/PSS的混合物旋涂到硅薄膜太阳能电池模块上，经干燥后得到厚度约100nm的PANI/PSS单一极性电致变色薄膜。
当太阳光照射上述元件时，在3分钟的时间内，透明的正极层表面的PANI/PSS单一极性电致变色薄膜开始变色，由黄绿色逐渐变成绿蓝色。
实验三：制作并检验可涂布光电致变色模块
准备一片4cm×3cm的透明玻璃基材，并在其上制作如图5般的硅薄膜太阳能电池模块，其中每一硅薄膜太阳能电池的正、负极的面积各为4cm×0.5cm，该硅薄膜太阳电模块总共由三组硅薄膜太阳能电池所组成，正极层为TCO(透明导电层)、负极层为TCO/Ag。这种硅薄膜太阳能电池模块的IV curve为：Voc＝3.98volt、Isc＝26.57mA、F.F％＝64.94％、PwrMax＝69.09mW以及发电效率＝5.23％。
将实验一所得到的PANI/PSS的混合物旋涂到硅薄膜太阳能电池模块上，经干燥后得到厚度约100nm的PANI/PSS单一极性电致变色薄膜。
当太阳光照射上述元件时，在3分钟的时间内，透明的正极层表面的PANI/PSS单一极性电致变色薄膜开始变色，由黄绿色逐渐变成绿蓝色。
而且，将照光时间拉长(从3分钟至1小时)，PANI/PSS单一极性电致变色薄膜仍维持绿蓝色，并无颜色不均匀的情形发生。
实验四：制作并检验可涂布光电致变色模块
利用实验三的方式制作硅薄膜太阳能电池模块，然后在硅薄膜太阳能电池上将实验一的PANI/PSS混合物重复旋转涂布(spin coating)与干燥的步骤，以便制作出具有3层、5层与10层PANI/PSS单一极性电致变色薄膜的三个可涂布光电致变色元件。
当太阳光照射上述三个元件时，在3分钟的时间内，透明的正极层表面的PANI/PSS单一极性电致变色薄膜开始变色，由黄绿色逐渐变成绿蓝色。由此可知，PANI/PSS单一极性电致变色薄膜的层数在1～10层以内都具有照光变色的功能。
实验五：制作单一极性电致变色薄膜
将100mg PSS加入50ml含有1.0M NaCl的蒸馏水，搅拌六小时备用。将26ul的二氧乙基噻吩(EDOT)单体加入0.2M的硫酸(H2SO4)蒸馏水溶液，搅拌两小时。将上述两步骤的溶液混合后搅拌一小时，再加入APS 56mg，然后室温搅拌两小时后，加热到80℃，继续搅拌六小时。所得的蓝色液体就是PEDOT/PSS混合物。
然后利用实验三的方式制作硅薄膜太阳能电池模块，再将上述PEDOT/PSS的混合物按照实验二方式旋涂到硅薄膜太阳能电池上，经干燥后得到厚度约100nm的PEDOT/PSS单一极性电致变色薄膜。
当太阳光照射上述元件时，在5分钟的时间内，负极层表面的PEDOT/PSS单一极性电致变色薄膜开始变色，由透明浅蓝色逐渐变成深蓝色。
以下的化学反应式说明高分子纳米球体电致变色材料包括聚二氧乙基噻吩(PEDOT)纳米球体与阴离子型聚电解质聚苯乙烯磺酸钠(PSS)的电致变色机制为：
Figure BSA00000599312000121
以上化学反应式中：n为电量。
从以上实验可知本发明确实能够实现照光着色的效果。
此外，本发明的可涂布光电致变色元件可借由以下几种方式做成元件的开关：
1.利用直流/交流转换装置(DC/AC Inverter)900，将薄膜太阳能电池产生的电流转换为交流电之后可作为市电902供应一般电器使用，如图9所示。
2.将薄膜太阳能电池产生的电流接到直流电荷储存装置1000(之后可作为蓄电池供应一般直流电器使用)，如图10所示。
3.运用薄膜晶体管(TFT)等工艺，在薄膜太阳能电池的正极层与负极层两端都制作薄膜晶体管1100当作开关，来单独控制每一薄膜太阳能电池与外接电路的开关(On/Off)，如此可达成主动式控制电致变色装置如图11所示。
综上所述，本发明借由元件设计(部分正极层自负极层露出的薄膜太阳能电池)，并使用包含单一极性电致变色材料与聚电解质的单一极性电致变色薄膜，即可照光着色，且单一极性电致变色材料涂布于串联结构薄膜太阳能电池模块上不会产生照光变色不均匀的问题；不像传统双极性电致变色材料搭配电解质的元件结构必须设计双极变色层的电量平衡才可达到变色均匀。换言之，本发明的可涂布光电致变色元件为全固态元件结构，可避免使用液态电解液带来的漏液问题，也可整合成单一层结构，缩短工艺时间。另外，本发明因为是用涂布工艺组成元件，因此如果将薄膜太阳能电池沉积在透明软式基材上，即可应用涂布方式简单且大量地完成本发明的可涂布光电致变色元件。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (20)

1.一种可涂布光电致变色元件，其特征在于，至少包括：
一透明基材；
至少一薄膜太阳能电池，位于该透明基材上，其中该薄膜太阳能电池至少具有一正极层、一负极层与位于该正极层和该负极层之间的一光电转换层，且部分该正极层自该薄膜太阳能电池中露出；以及
至少一单一极性电致变色薄膜，同时覆盖该负极层与露出的该正极层，其中该单一极性电致变色薄膜包含单一极性电致变色材料与聚电解质。
2.一种可涂布光电致变色元件，其特征在于，至少包括：
一透明基材；
至少一薄膜太阳能电池，位于该透明基材上，其中该薄膜太阳能电池至少具有一正极层、一负极层与位于该正极层和该负极层之间的一光电转换层，且部分该负极层自该薄膜太阳能电池中露出；以及
至少一单一极性电致变色薄膜，同时覆盖该正极层与露出的该负极层，其中该单一极性电致变色薄膜包含单一极性电致变色材料与聚电解质。
3.根据权利要求1或2所述的可涂布光电致变色元件，其特征在于，该单一极性电致变色材料包括正极电致变色材料或负极电致变色材料。
4.根据权利要求1或2所述的可涂布光电致变色元件，其特征在于，该单一极性电致变色材料包括一纳米结构电致变色材料。
5.根据权利要求4所述的可涂布光电致变色元件，其特征在于，该纳米结构电致变色材料包括金属氧化物纳米结构、金属复合物纳米结构或导电高分子纳米结构。
6.根据权利要求5所述的可涂布光电致变色元件，其特征在于，该纳米结构电致变色材料包括纳米粒子、纳米柱、纳米线、纳米球体或纳米管。
7.根据权利要求5所述的可涂布光电致变色元件，其特征在于，该金属氧化物纳米结构包括WO3、V2O5、NiOx或CuOx。
8.根据权利要求5所述的可涂布光电致变色元件，其特征在于，该金属复合物纳米结构包括普鲁士蓝延伸物或六氰铁化铟。
9.根据权利要求5所述的可涂布光电致变色元件，其特征在于，该导电高分子纳米结构包括聚苯胺纳米球体、聚吡咯纳米球体、或聚二氧乙基噻吩纳米球体。
10.根据权利要求1或2所述的可涂布光电致变色元件，其特征在于，该聚电解质包括阴离子型聚电解质或阳离子型聚电解质。
11.根据权利要求10所述的可涂布光电致变色元件，其特征在于，该阴离子型聚电解质包括聚苯乙烯磺酸钠、聚丙烯酸钠、聚丙烯酸聚顺丁烯二酸或聚全氟磺酸。
12.根据权利要求10所述的可涂布光电致变色元件，其特征在于，该阳离子型聚电解质包括聚二烯丙基二甲基氯化铵、聚丙烯胺盐酸盐、聚离胺酸或聚乙烯亚胺。
13.根据权利要求1或2所述的可涂布光电致变色元件，其特征在于，该至少一薄膜太阳能电池包括多个薄膜太阳能电池。
14.根据权利要求13所述的可涂布光电致变色元件，其特征在于，该薄膜太阳能电池彼此串联在一起。
15.根据权利要求1或2所述的可涂布光电致变色元件，其特征在于，更包括一封装材料，覆盖该薄膜太阳能电池与该单一极性电致变色薄膜。
16.根据权利要求15所述的可涂布光电致变色元件，其特征在于，更包括一透明非导电基材，覆盖在该封装材料上。
17.根据权利要求1所述的可涂布光电致变色元件，其特征在于，该透明基材包括软式基材。
18.根据权利要求1所述的可涂布光电致变色元件，其特征在于，更包括一直流/交流转换装置，借以将该薄膜太阳能电池提供的电流转换为市电。
19.根据权利要求1所述的可涂布光电致变色元件，其特征在于，更包括一直流电荷储存装置，借以储存该薄膜太阳能电池产生的电流。
20.根据权利要求1所述的可涂布光电致变色元件，其特征在于，更包括薄膜晶体管，分别连接到该薄膜太阳能电池的该正极层与该负极层两端，以便单独控制该薄膜太阳能电池与外接电路的开关。
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