CN104698716B - 一种自适应电致变色智能窗 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种自适应电致变色智能窗。以任意玻璃材料为基底，在基底上分别依次溅镀电致变色结构与太阳电池结构，其中电致变色结构依次为底电极层、离子储存层、电解质层、电致变色层、顶电极层；太阳电池结构依次为n型半导体层、本征半导体层、p型半导体层、金属电极层、保护层。该智能窗能够根据阳光强烈程度来改变本身的颜色，无需额外控制器，也无需额外电源供应，还可以滤去阳光中的紫外线，是一种完全绿色的智能窗户。

Description

一种自适应电致变色智能窗
技术领域
本发明涉及电致变色材料领域，尤其涉及一种自适应电致变色智能窗及其制造方法。
背景技术
近年来，节能、环保等日益受到重视。据统计，当前我国建筑物的能耗约占社会总能耗的28％，如果对新建建筑的能耗不作控制的话，预计很快就将超过工业能耗，达到全社会总能耗的40％左右，成为全社会第一能耗大户。而窗户是建筑物能量损失的主要途径，约有30％～50％的能量是通过窗户流失的。使用节能玻璃已经成为必然的选择。
采用电致变色玻璃是建筑节能的一种重要途径。所谓电致变色现象是指材料的光学性质随外加电场发生可逆的变化。利用材料的电致变色性可将其制成颜色及光强度可调的智能窗。这是一个由基础平板玻璃和电致变色系统组成的装置，它可利用电致变色薄膜的颜色及透光率(或吸收率)随外加控制电场的作用而引起的动态变化，选择性地吸收或反射外界热辐射和阻止内部热扩散，达到人为调节光照度或室内温度的目的。智能窗可广泛用于建筑、汽车、航空航天等领域，在能源日益紧缺的今天，其研究意义非常重大。
目前电致变色智能窗需要额外供给能量，如此，需要铺设线路以及消耗电力，在一定程度上削减了电致变色智能窗的节能效果。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明设计了一种整合了太阳能电池和电致变色智能窗的新型节能窗户。利用宽禁带半导体如氧化锌等制备太阳电池，吸收太阳光中的紫外以及靠近紫外的蓝紫光供电。这种窗户会根据阳光强烈程度来改变本身的颜色，无需额外控制器，也无需额外电源供应，更可以滤去阳光中对人身体有害的紫外线，是一种完全绿色的智能窗户。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一种自适应电致变色智能窗：以任意玻璃材料为基底10，在基底上分别依次溅镀电致变色结构与太阳电池结构；
所述电致变色结构依次为底电极层20、离子储存层30、电解质层40、电致变色层50、顶电极层61；
所述太阳电池结构依次为n型半导体层62、本征半导体层70、p型半导体层80、金属电极层81、保护层90。
特别的，所述底电极层20是由透明金属氧化物如锡掺杂氧化铟、氟掺杂氧化锡或铝掺杂氧化锌构成，其中金属氧化物电极厚约50nm。
特别的，所述离子储存层30为电致变色材料，如氧化钨、氧化镍、氧化钛、氧化钼、五氧化二钒，或是他们其中两种或多种的混合离子储存层，所述储存层厚度为100-400nm。
特别的，所述电解质层是一种电子绝缘并且离子导通的材料，所述电解质层必须足够的厚以防止电极短路，所述电解质层例如碳酸锂、磷酸锂、氮磷酸锂、钽酸锂铝酸锂、氮化锂等，其厚度为50-500nm。
特别的，所述电致变色层是电致变色结构起变色作用的主要层，可以由任意电致变色材料组成，如氧化钨、氧化镍、氧化钛、氧化钼、五氧化二钒等，或是他们其中两种或多种的混合离子储存层，所述电致变色层厚度,为100-400nm，电致变色层与离子储存层位置可以互换。
特别的，所述顶电极层是由透明金属氧化物如锡掺杂氧化铟、氟掺杂氧化锡或铝掺杂氧化锌构成，其中金属氧化物电极厚50-500nm。
特别的，所述n型半导体层62与电致变色结构的顶电极层相同，如锡掺杂氧化铟、氟掺杂氧化锡、铝掺杂氧化锌，也可以选用其他n型宽禁带半导体材料，其禁带宽度大于2.5eV，厚度为20-300nm；
所述本征半导体层由未掺杂的宽禁带半导体构成，如氧化锌，厚度为50-1000nm；
所述p型半导体层由p型宽禁带半导体材料构成，如掺银氧化锌，厚度为20-300nm；
其中n型半导体和p型半导体层的位置可以互换。
特别的，所述金属电极层由金属薄膜或金属栅格构成，金属薄膜为银或铝，厚度为3-20nm，金属栅格由银或铝构成，栅格电极的面积占总面积的2％-20％，厚度为50-500nm。
特别的，所述保护层氟化镁或高分子材料组成，用来保护整个器件并起到一定的增透作用。
特别的，用导线或导电胶将太阳电池结构的金属电极层81与电致变色结构的底电极层20相连。
本发明有益效果如下：
本发明中自适应电致变色智能窗能根据阳光强烈程度来改变自身的颜色，无需额外控制器，也无需额外电源供应，更可以滤去阳光中对人身体有害的紫外线，是一种完全绿色的智能窗户。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为实施例一自适应电致变色智能窗结构示意图
图2为实施例一自适应电致变色智能窗初始透射光谱
图3为实施例二自适应电致变色智能窗结构示意图
图4为实施例二自适应电致变色智能窗初始透射光谱
图5为实施例三自适应电致变色智能窗结构示意图
图6为实施例三自适应电致变色智能窗初始透射光谱
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
实施例一
一种自适应电致变色智能窗，其结构见图1所示。基底为石英玻璃，在基底上溅镀一层二氧化硅离子阻挡层，然后分别依次溅镀电致变色结构与太阳电池结构。
其中电致变色结构依次为底电极层20、厚度为100nm的氧化钨离子储存层、厚度为50nm的碳酸锂电解质层40、电致变色层50、顶电极层61；太阳电池结构依次为n型半导体层62、本征半导体层70、p型半导体层80、金属电极层81、保护层90。
其中基底10可以是任意玻璃基底，如石英玻璃、高硅氧玻璃、钠钙玻璃、铅硅酸盐玻璃等，通常玻璃上由一层离子阻挡层11构成，该离子阻挡层一般为二氧化硅，以阻挡玻璃中的钠离子进入电致变色结构中；电致变色结构与太阳能电池结构均沉积在玻璃上。
电致变色结构中，底电极层20是由透明金属氧化物如锡掺杂氧化铟、氟掺杂氧化锡或铝掺杂氧化锌构成，其中金属氧化物电极一般厚50nm；离子储存层30可以是任意一种电致变色材料，如氧化钨、氧化镍、氧化钛、氧化钼、五氧化二钒等，或是他们其中两种或多种的混合，优选为氧化钨镍，离子储存层的厚度一般为100nm；电解质层40是一种电子绝缘并且离子导通的材料，它必须足够的厚以防止电极短路，例如碳酸锂、磷酸锂、氮磷酸锂、钽酸锂、铝酸锂、氮化锂等，其厚度一般为50nm；电致变色层50是电致变色结构起变色作用的主要层，可以由任意电致变色材料组成，如氧化钨、氧化镍、氧化钛、氧化钼、五氧化二钒等，或是他们其中两种或多种的混合离子储存层的厚度一般为100nm，电致变色层50与离子储存层30位置可以互换；顶电极层61也是由透明金属氧化物如锡掺杂氧化铟、氟掺杂氧化锡或铝掺杂氧化锌构成，其中金属氧化物电极一般厚50nm。
太阳电池结构中，n型半导体层62可以与电致变色层的顶电极层61相同，如锡掺杂氧化铟、氟掺杂氧化锡、铝掺杂氧化锌，也可以选用其他n型宽禁带半导体材料，其禁带宽度大于2.5eV，厚度为20nm；本征半导体层70由未掺杂的宽禁带半导体构成，优选为氧化锌，厚度为50nm；p型半导体层80由p型宽禁带半导体材料构成，优选为掺银氧化锌，厚度为20nm；其中n型半导体层61和p型半导体层80的位置可以互换；金属电极层81由金属薄膜或金属栅格构成，金属薄膜一般为银或铝，厚度为3nm，金属栅格一般也由银或铝构成，栅格电极的面积占总面积的2％，厚度为50nm；太阳电池结构可以完全覆盖电致变色结构，也可以只覆盖电致变色结构的一部分。
保护层90氟化镁或高分子材料组成，用来保护整个器件并起到一定的增透作用。
制备的自适应电致变色智能窗初始透射光谱如图2。
用导线或导电胶将太阳电池结构的金属电极层81与电致变色结构的底电极层20相连，构成自适应电致变色智能窗。
实施例二
一种自适应电致变色智能窗110如图3，以任意玻璃材料10为基底，分别依次溅镀电致变色结构与太阳电池结构。其中电致变色结构依次为底电极金属层19、底电极金属氧化物层20、离子储存层30、电解质层40、电致变色层50、顶电极层61；太阳电池结构依次为n型半导体层62、本征半导体层70、p型半导体层80、金属电极层81、保护层90。
其中基底10可以是任意玻璃基底，如石英玻璃、高硅氧玻璃、钠钙玻璃、铅硅酸盐玻璃等，通常玻璃上由一层离子阻挡层11，一般由二氧化硅构成，以阻挡玻璃中的钠离子进入电致变色结构中；电致变色结构与太阳能电池结构均沉积在玻璃上。
电致变色结构中，底电极层是由金属薄膜与栅格19透明金属氧化物层20如锡掺杂氧化铟、氟掺杂氧化锡、铝掺杂氧化锌中的一种或几种的组合构成，其中金属电极一般厚为20nm，金属氧化物电极一般厚500nm；离子储存层30可以是任意一种电致变色材料，如氧化钨、氧化镍、氧化钛、氧化钼、五氧化二钒等，或是他们其中两种或多种的混合，优选为氧化钨镍，离子储存层的厚度一般为400nm；电解质层40是一种电子绝缘并且离子导通的材料，它必须足够的厚以防止电极短路，例如碳酸锂、磷酸锂、氮磷酸锂、钽酸锂、铝酸锂、氮化锂等，其厚度一般为500nm；电致变色层50是电致变色结构起变色作用的主要层，可以由任意电致变色材料组成，如氧化钨、氧化镍、氧化钛、氧化钼、五氧化二钒等，或是他们其中两种或多种的混合离子储存层的厚度一般为400nm，电致变色层50与离子储存层30位置可以互换；顶电极层61也是由透明金属氧化物如锡掺杂氧化铟、氟掺杂氧化锡或铝掺杂氧化锌构成，其中金属氧化物电极一般厚500nm。
太阳电池结构中，n型半导体层62可以与电致变色层的顶电极层61相同，如锡掺杂氧化铟、氟掺杂氧化锡、铝掺杂氧化锌，也可以选用其他n型宽禁带半导体材料，其禁带宽度大于2.5eV，厚度为300nm；本征半导体层70由未掺杂的宽禁带半导体构成，优选为氧化锌，厚度为1000nm；p型半导体层80由p型宽禁带半导体材料构成，优选为掺银氧化锌，厚度为300nm；其中n型半导体层61和p型半导体层80的位置可以互换；金属电极层81由金属薄膜或金属栅格构成，金属薄膜一般为银或铝，厚度为20nm，金属栅格一般也由银或铝构成，栅格电极的面积占总面积的20％，厚度为500nm；太阳电池结构可以完全覆盖电致变色结构，也可以只覆盖电致变色结构的一部分。
保护层90氟化镁或高分子材料组成，用来保护整个器件并起到一定的增透作用。
制备的自适应电致变色智能窗初始透射光谱如图4。
用导线或导电胶将太阳电池结构的金属电极层81与电致变色结构的金属电极19相连，构成自适应电致变色智能窗。
实施例三
一种自适应电致变色智能窗120如图5，以任意玻璃材料10为基底，分别依次溅镀电致变色结构与太阳电池结构。其中电致变色结构依次为底电极金属层19、底电极金属氧化物层20、离子储存层30、电解质层40、电致变色层50、顶电极层60；太阳电池结构依次为n型半导体层60，其与电致变色结构相同、本征半导体层70、p型半导体层80、金属电极层81、保护层90。
其中基底10可以是任意玻璃基底，如石英玻璃、高硅氧玻璃、钠钙玻璃、铅硅酸盐玻璃等，通常玻璃上由一层离子阻挡层11，一般由二氧化硅构成，以阻挡玻璃中的钠离子进入电致变色结构中；电致变色结构与太阳能电池结构均沉积在玻璃上。
电致变色结构中，底电极层是由金属薄膜与栅格19透明金属氧化物层20如锡掺杂氧化铟、氟掺杂氧化锡、铝掺杂氧化锌中的一种或几种的组合构成，其中金属电极一般厚为7nm，金属氧化物电极一般厚150nm；离子储存层30可以是任意一种电致变色材料，如氧化钨、氧化镍、氧化钛、氧化钼、五氧化二钒等，或是他们其中两种或多种的混合，优选为氧化钨镍，离子储存层的厚度一般为200nm；电解质层40是一种电子绝缘并且离子导通的材料，它必须足够的厚以防止电极短路，例如碳酸锂、磷酸锂、氮磷酸锂、钽酸锂、铝酸锂、氮化锂等，其厚度一般为200nm；电致变色层50是电致变色结构起变色作用的主要层，可以由任意电致变色材料组成，如氧化钨、氧化镍、氧化钛、氧化钼、五氧化二钒等，或是他们其中两种或多种的混合离子储存层的厚度一般为350nm，电致变色层50与离子储存层30位置可以互换；顶电极层60也是由透明金属氧化物铝掺杂氧化锌构成，其中金属氧化物电极一般厚150nm。
太阳电池结构中，n型半导体层60就是电致变色结构的顶电极层，二者实际为同一层；本征半导体层70由未掺杂的宽禁带半导体构成，优选为氧化锌，厚度为300nm；p型半导体层80由p型宽禁带半导体材料构成，优选为掺银氧化锌，厚度为100nm；金属电极层81由金属薄膜或金属栅格构成，金属薄膜一般为银或铝，厚度为7nm，金属栅格一般也由银或铝构成，栅格电极的面积占总面积的5％，厚度为200nm；太阳电池结构可以完全覆盖电致变色结构，也可以只覆盖电致变色结构的一部分。
保护层90氟化镁或高分子材料组成，用来保护整个器件并起到一定的增透作用。
制备的自适应电致变色智能窗初始透射光谱如图6。
用导线或导电胶将太阳电池结构的金属电极层81与电致变色结构的金属电极19相连，构成自适应电致变色智能窗。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种自适应电致变色智能窗，其特征在于：以任意玻璃材料为基底(10)，在基底上分别依次溅镀电致变色结构与太阳电池结构；
所述电致变色结构依次为底电极层、离子储存层(30)、电解质层(40)、电致变色层(50)、顶电极层(60)；
所述基底(10)和所述电致变色结构之间有离子阻挡层(11)；
所述底电极层由底电极金属层(19)和底电极金属氧化物层(20)构成，所述底电极金属层(19)为金属薄膜或金属栅格，所述底电极金属氧化物层(20)为透明金属氧化物层，且所述透明金属氧化物层由锡掺杂氧化铟、氟掺杂氧化锡和铝掺杂氧化锌中的一种或多种构成；其中，所述底电极金属层(19)的厚度为7nm，所述底电极金属氧化物层(20)的厚度为150nm；
所述离子储存层(30)由氧化钨和氧化镍构成，且厚度为200nm；
所述电解质层(40)由碳酸锂、磷酸锂、氮磷酸锂、钽酸锂和铝酸锂中的任一种构成，且厚度为200nm；
所述电致变色层(50)由氧化镍和五氧化二钒中的一种或两种构成，且厚度为350nm；
所述顶电极层(60)由铝掺杂氧化锌构成，且厚度为150nm；
所述太阳电池结构依次为n型半导体层、本征半导体层(70)、p型半导体层(80)、金属电极层(81)、保护层(90)；
所述n型半导体层和所述顶电极层(60)为同一层；
所述本征半导体层(70)由未掺杂的宽禁带半导体构成，且厚度为300nm；
所述p型半导体层(80)由p型宽禁带半导体材料构成，且厚度为100nm；
所述金属电极层(81)由金属薄膜或金属栅格构成，与所述底电极金属层(19)通过导线或导电胶相连；
在所述金属电极层(81)中，所述金属薄膜为银或铝，且厚度为7nm；和
在所述金属电极层(81)中，所述金属栅格由银或铝构成，栅格电极的面积占总面积的5％，厚度为200nm；
所述保护层(90)由氟化镁或高分子材料组成。
2.如权利要求1所述的电致变色智能窗，其特征在于：所述本征半导体层(70)由氧化锌构成。
3.如权利要求1所述的电致变色智能窗，其特征在于：所述p型半导体层(80)由掺银氧化锌构成。
4.如权利要求1所述的电致变色智能窗，其特征在于：所述电致变色层(50)与离子储存层(30)的位置互换。
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