CN106033166A - 智能窗 - Google Patents
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Abstract
一种智能窗，其包括玻璃和固定于该玻璃上的电致变色薄膜，所述电致变色薄膜依次包括第一基底、第一透明电极层、电致变色层、离子导体层、离子储存层、第二透明电极层、p(a‑SiC:H)层、i(a‑SiC:H)层、n(a‑SiC:H)层、第三透明电极层以及第二基底。
Description
技术领域
本申请涉及能够自动调节窗户透光程度的智能窗结构，更具体地涉及一种基于电致变色的智能窗结构。
背景技术
传统的智能窗是由电机控制其叶片开合程度进而控制进光量来实现的，这种智能窗结构受限于叶片的限制而不能精确实现进光量的控制。随着各种变色薄膜材料的出现，已经开始有将变色薄膜技术应用于各种光控设计当中。例如，三氧化钨薄膜可以通过利用电场作用而可逆地呈现不同的颜色，且其变色控制所需要的工作电压较低，通常在-3V-+3V之间，因此，已经出现了一些将三氧化钨薄膜应用于智能窗的设计方案，其中借助控制电压的调节来调节三氧化钨薄膜的颜色变化，从而调节室外太阳光的射入量。然而，目前的一些应用三氧化钨薄膜的智能窗设计当中仍然需要较多的外围设备，存在制造及安装等多个方面的不足。
发明内容
针对这些不足，本发明提出了一种改进的利用三氧化钨的电致变色性能的智能窗结构。借助本发明的智能窗结构及特定参数设计，可以以非常简单和紧凑的方式一体实现电致变色功能、功率源、光强检测及调节等功能，大大减小外围设备的数量，同时提高对太阳光的利用效率，真正实现一种绿色环保的智能窗设计。
根据本发明的一个方面，智能窗可以包括玻璃和固定于该玻璃上的电致变色薄膜。所述电致变色薄膜依次包括第一基底1、第一透明电极层2、电致变色层3、离子导体层4、离子储存层5、第二透明电极层6、p(a-SiC:H)层7、i(a-SiC:H)层8、n(a-SiC:H)层9、第三透明电极层10以及第二基底11。其中，所述电致变色薄膜按照下列步骤1至9制作而成，即：
步骤1：在所述第一基底1上形成SnO2:F层，从而形成所述第一透明电极层1，所述第一透明电极层2的厚度为700nm。
步骤2：在1*10^-4Pa的真空环境下，加热使WO3固态纳米粉末蒸发，在所述第一透明电极层2上沉积形成300nm厚的在X射线衍射下呈现不定形态的WO3层，从而构成所述电致变色层3。
步骤3：将聚环氧乙烷粉末与LiN(SO2CF3)2按照O原子与Li原子数之比为20:3的比例溶解于乙腈中制备形成电解液，接着将所制备的电解液注入所述电致变色层3上，在65摄氏度的温度下蒸发36小时将溶剂去除，从而在所述电致变色层3上形成70nm厚的所述离子导体层4，随后将所形成的四层结构被保持在干燥环境下。
步骤4：按照Ce原子与Ti原子数之比为1:1的比例将Ce(NH4)2(NO3)6与钛酸异丙酯溶解于乙醇中形成TiO2-CeO2先驱体溶胶，采用溶胶-凝胶法在所述离子导体层4上形成500nm厚的TiO2-CeO2层，即所述离子储存层5。
步骤5：以与步骤1相同的工艺在所述离子储存层上形成850nm厚的SnO2:F层，即所述第二透明电极层6。
步骤6：在6*10^-5帕的真空环境及160摄氏度的衬底温度下，以CH4/SiH4作为反应气体，按照CH4/SiH4的流量比为30:25(mL/min)、在70Pa的反应气体压力和90摄氏度的反应气体温度的工艺条件以化学气相沉积法形成单结的所述p(a-SiC:H)层，所述p(a-SiC:H)层的厚度为10nm。
步骤7：接着依次沉积形成厚度为500nm的单结i(a-SiC:H)层8及厚度为10nm的单结n(a-SiC:H)层9。
步骤8：采用磁控溅射法在所述n(a-SiC:H)层9上形成ITO层作为所述第三透明电极层10，其中，所述ITO层具有两层结构，紧挨n(a-SiC:H)层9形成的是500nm厚的平坦层，在所述平坦层上又形成有周期性的圆台结构，所述圆台结构的高度为300nm。
步骤9：在所述第三透明电极层10上形成所述保护性的第二基底11。
进一步地，在应用中，所述电致变色薄膜的第二基底11固定在所述玻璃的室内侧表面上。
优选地，所述SnO2:F层可以采用溶胶-凝胶法或者化学气相沉积法形成。
更进一步地，在所述第一基底1的与形成有所述第一透明电极层2相反的一侧上可以形成有抗磨层12，以改善智能窗的使用寿命。
进一步地，所述第一透明电极层2、所述电致变色层3、所述离子导体层4、所述离子储存层5及所述第二透明电极层6构成电致变色结构，其厚度被设计成使得所述电致变色结构具有2000欧姆的内阻；所述第二透明电极层6、所述p(a-SiC:H)层7、所述i(a-SiC:H)层8、所述n(a-SiC:H)层9及所述第三透明电极层10构成光伏电池结构。
进一步地，本发明的智能窗还可以包括电致变色控制电路、光伏电池整流稳压电路及功率储存电路。该光伏电池整流稳压电路用于将光伏电池结构响应于光电响应输出的电流信号进行整流稳压。该电致变色控制电路可以包括微功耗的单片机，其被设置成根据室外光强调节所述电致变色结构的变色程度和/或根据预先设定的时间来调节所述电致变色结构的变色程度。
进一步地，本发明的智能窗还可以包括与其光伏电池结构配合的光强检测电路，所述检测电路包括初级信号提取放大电路，所述初级信号提取放大电路包括三个运算放大器OP1、OP2及OP3。
具体而言，在所述初级信号提取放大电路中，所述运算放大器OP1的反相输入引脚2连接所述光伏电池结构的输出端，并且经电阻R1和电容C1并联形成的外反馈电路、电阻R3、电容C3及电阻R4连接所述运算放大器OP1的输出引脚6；所述运算放大器OP1的同相输入引脚3经所述电阻R2和电容C2的并联电路与地GND连接。所述运算放大器OP2的同相输入引脚3经电阻R5和R4连接所述运算放大器OP1的输出引脚6，并且经电容C4接地GND，以及经电阻R5和电容C6连接所述运算放大器OP2的输出引脚6；所述运算放大器OP2的反相输入引脚2经电阻R6和电容C5的并联电路与所述运算放大器OP2的输出引脚6连接；所述运算放大器OP2的正电源引脚7连接正直流电源且经电容C8连接地GND，负电源引脚4连接负直流电源且经电容C7连接地GND；变阻器R8的调节端连接正直流电源，其余两端分别连接所述运算放大器OP2的引脚1和引脚8。所述运算放大器OP3的反相输入引脚2连接所述运算放大器OP2的输出引脚6，并且经电阻R7和电容C9连接所述运算放大器OP3的输出引脚6；所述运算放大器OP3的同相输入引脚3经电阻R9和电容C10连接地GND，变阻器R10的调节端连接于电阻R9和电容C10之间，且其余两端分别连接正负直流电源。其中，所述电容C3、C5及C9为pF量级，所述电容C7及C8μF量级。
附图说明
现在，将参考附图以示例的方式详细描述本发明的实施例，其中：
图1示出了根据本发明的电致变色薄膜的层结构示意图；
图2示出了根据本发明的初级信号提取放大电路的示意图。
具体实施方式
本发明公开了一种智能窗，其包括玻璃和固定于该玻璃上的电致变色薄膜。该电致变色薄膜可以独立于玻璃形成，从而方便了电致变色薄膜的制作及运输。
如图1所示，本发明的电致变色薄膜依次包括第一基底1、第一透明电极层2、电致变色层3、离子导体层4、离子储存层5、第二透明电极层6、p(a-SiC:H)层7、i(a-SiC:H)层8、n(a-SiC:H)层9、第三透明电极层10以及第二基底11。
根据本发明的电致变色薄膜按照下列工艺过程制作而成。
步骤1：在基底1上形成SnO2:F层，从而形成第一透明电极层2。其中，基底1可以是任何适于在其上沉积形成SnO2:F层的材料，诸如可以为聚合物薄膜材料；SnO2:F层可以采用溶胶-凝胶法或者化学气相沉积法形成，优选地，可以选用溶胶-凝胶法。该第一透明电极层2的厚度为700nm。形成为SnO2:F层的第一透明电极层2同时也充当低辐射涂层，其可以提高热阻率，有效阻断窗户内外热量的交换，而不会影响窗户的透光性。
步骤2：在1*10^-4Pa的真空环境下，加热使WO3固态纳米粉末蒸发，在第一透明电极层2上沉积形成300nm厚的在X射线衍射下呈现不定形态的WO3层，从而构成电致变色层3。
步骤3：将聚环氧乙烷粉末与LiN(SO2CF3)2按照O原子与Li原子数之比为20:3的比例溶解于乙腈中制备形成电解液，接着将所制备的电解液注入WO3层3上，在65摄氏度的温度下蒸发36小时将溶剂去除，从而在WO3层3上形成70nm厚的离子导体层4。所形成的包括层1至4的四层结构被保持在干燥环境下。
步骤4：按照Ce原子与Ti原子数之比为1:1的比例将Ce(NH4)2(NO3)6与钛酸异丙酯溶解于乙醇中形成TiO2-CeO2先驱体溶胶，采用溶胶-凝胶法在离子导体层4上形成500nm厚的TiO2-CeO2层，即离子储存层5。
步骤5：以与步骤1相同的工艺在离子储存层5上形成850nm厚的SnO2:F层作为第二透明电极层6使用，该第二透明电极层6同样具有低辐射特性，能够进一步地改善热阻性。
步骤6：在6*10^-5帕的真空环境及160摄氏度的衬底温度下，以CH4/SiH4作为反应气体，按照CH4/SiH4的流量比为30:25(mL/min)、在70Pa的反应气体压力和90摄氏度的反应气体温度的工艺条件以化学气相沉积法形成单结p(a-SiC:H)层7，该p(a-SiC:H)层7的厚度为10nm。
步骤7：接着依次沉积形成厚度为500nm的单结i(a-SiC:H)层8及厚度为10nm的单结n(a-SiC:H)层9。
步骤8：采用磁控溅射法在n(a-SiC:H)层9上形成ITO层作为第三透明电极层10，该ITO层具有两层结构，紧挨n(a-SiC:H)层9形成的是500nm厚的平坦层，在该平坦层上又形成有周期性的圆台结构，该圆台结构的高度为300nm。在该第三透明电极层10中，采用ITO材料提供透明电极且设置了周期性圆台结构，是为了降低入射光在该第三透明电极层10上的反射率，让尽可能多的光进入层7-9，从而提高太阳光的光电转换效率。
步骤9：最后，在第三透明电极层10上形成保护性的第二基底11，以便在使用过程中与玻璃表面结合，从而将该电致变色薄膜固定于玻璃表面上形成本发明的智能窗结构。
具体而言，在使用过程中，本发明的电致变色薄膜的基底11被固定在玻璃的室内侧表面上，因此，优选地还可以在基底1的另一侧上形成抗磨层12，以便提高该电致变色薄膜的使用寿命。
在本发明的电致变色薄膜中，由第一透明电极层2、电致变色层3、离子导体层4、离子储存层5及第二透明电极层6构成电致变色结构，其厚度被设计成使得该电致变色结构具有高达2000欧姆的内阻，从而为由第二透明电极层6、p(a-SiC:H)层7、i(a-SiC:H)层8、n(a-SiC:H)层9及第三透明电极层10构成的光伏电池结构在变色操作中可以提供较高的工作电压。
基于上述工艺及参数形成的电致变色结构，可以在0.6秒的响应开关时间下需要小于1mA/cm^2的工作电流，同时基于本发明所公开的上述工艺及参数所获得的光伏电池结构，可以能够提供大于6mA/cm^2的最大功率点电流，因此使得在本发明的电致变色薄膜中，其自身所能产生的电能不仅能够满足驱动电致变色结构工作的需要，还可以满足其他微功耗控制电路的功率需求。因此，借助本发明的包括电致变色结构和光伏电池结构的电致变色薄膜，可以提供一种绿色环保的智能窗结构，即，利用光伏电池结构将太阳能转换为电能，从而为用于调整窗透光度的电致变色结构提供电源。
在根据本发明的智能窗中，还可以包括电致变色控制电路、光伏电池整流稳压电路及功率储存电路。该光伏电池整流稳压电路用于将光伏电池响应于光电响应输出的电流信号整流稳压成诸如电致变色控制电路等其他电路工作所需要的电压信号，功率储存电路用于储存多余的电功率信号以作为备用功率源使用。电致变色控制电路可以包括微功耗的单片机，用于根据室外光强调节电致变色薄膜的变色程度，进而调整进入室内的光强。作为补充，电致变色控制电路还可以被设置成根据预先设定的时间来调节电致变色薄膜的变色程度。
此外，由于光伏电池的短路电流在很宽的光线强度范围内与光线强度存在着线性关系，因此在利用光伏电池结构提供电能的同时，还可以借助光伏电池的短路电流与光强之间的这种线性关系，提供光强检测功能，以便由控制单元借助该光强检测功能控制电致变色层的变色过程，从而实现需要的窗透光度的自动控制。相应地，本发明的智能窗还可以包括与光伏电池结构配合使用的光强检测电路结构。由于光伏电池响应于光强输出的短路电流信号非常微弱，因此，其中用于提取该短路电流信号的初级提取放大电路的设计就显得非常重要。具体而言，本发明的初级信号提取放大电路能够提供较好的放大滤波作用，特别适于对光伏电池的短路电流信号的提取检测。如图2所示，该初级信号提取放大电路主要包括三个运算放大器OP1-3。
运算放大器OP1的反相输入引脚2连接光伏电池结构的输出端，并且经电阻R1和电容C1并联形成的外反馈电路、电阻R3、电容C3及电阻R4连接运算放大器OP1的输出引脚6；运算放大器OP1的同相输入引脚3经电阻R2和电容C2的并联电路与地GND连接。
运算放大器OP2的同相输入引脚3经电阻R5和R4连接运算放大器OP1的输出引脚6，并且经电容C4接地GND，以及经电阻R5和电容C6连接运算放大器OP2的输出引脚6；运算放大器OP2的反相输入引脚2经电阻R6和电容C5的并联电路与运算放大器OP2的输出引脚6连接；运算放大器OP2的正电源引脚7连接正直流电源且经电容C8连接地GND，负电源引脚4连接负直流电源且经电容C7连接地GND；变阻器R8的调节端连接正直流电源，其余两端分别连接运算放大器OP2的引脚1和引脚8。
运算放大器OP3的反相输入引脚2连接运算放大器OP2的输出引脚6，并且经电阻R7和电容C9连接运算放大器OP3的输出引脚6；运算放大器OP3的同相输入引脚3经电阻R9和电容C10连接地GND，变阻器R10的调节端连接于电阻R9和电容C10之间，且其余两端分别连接正负直流电源。
其中，在该电路结构中，电阻R2用于补偿因电阻R1过大所造成的直流误差，电容C2用于与电阻R2并联以消除电阻R2上的杂散噪声，电容C1可以起到减小电路的通频带宽的作用。电容C3、C5及C9为pF量级，其被设置用于抑制运算放大器的振荡，在运算放大器OP2的正负电源引脚4和7上接入μF量级的电容C7及C8，以进行高频滤波。电阻R9及R10的设置可以起到调整运算放大器OP3的同相输入引脚的电流的作用。
在上述电路中，所述正负直流电源可以提供±5V的直流电压，所述运算放大器可以采用AD公司的OP27型精密运算放大器。
借助本发明所公开的智能窗结构，可以更紧凑和高效地将电致变色控制、功率源提供及光强检测功能一体集成提供，大大简化了智能窗的加工安装过程，同时使得智能窗对于太阳光的利用效率得到很大提高。此外，借助于对其中透明电极的特定选择及配置，还可以在保证光电转换效率的同时，提高智能窗的热阻效率。
可选地，本发明的智能窗还可以包括传统的可开关式窗帘，其设置于室内侧。所述控制单元可以借助WiFi信号接收外部指令来设定用于控制该可开关式窗帘开关的时间、温度及光强参数中的一个或多个，以便在设定的时间、温度及光强范围内开启或者关闭该可开关式窗帘。
在前面的说明中，已经参照本发明的具体示例性实施例对本发明的原理进行了描述。但是，对于本领域技术人员显而易见的是，在不背离所附权利要求限定的本发明的精神及范围的情况下，可以对本发明进行各种修改或改变。因此，应当将说明书及其附图视为示例性而非限制性的。
Claims (8)
1.一种智能窗，其包括玻璃和固定于该玻璃上的电致变色薄膜，其特征在于：所述电致变色薄膜依次包括第一基底(1)、第一透明电极层(2)、电致变色层(3)、离子导体层(4)、离子储存层(5)、第二透明电极层(6)、p(a-SiC:H)层(7)、i(a-SiC:H)层(8)、n(a-SiC:H)层(9)、第三透明电极层(10)以及第二基底(11)，其中，所述电致变色薄膜按照下列工艺过程制作而成，
步骤1：在所述第一基底(1)上形成SnO2:F层，从而形成所述第一透明电极层(2)，所述第一透明电极层(2)的厚度为700nm；
步骤2：在1*10^-4Pa的真空环境下，加热使WO3固态纳米粉末蒸发，在所述第一透明电极层(2)上沉积形成300nm厚的在X射线衍射下呈现不定形态的WO3层，从而构成所述电致变色层(3)；
步骤3：将聚环氧乙烷粉末与LiN(SO2CF3)2按照O原子与Li原子数之比为20:3的比例溶解于乙腈中制备形成电解液，接着将所制备的电解液注入所述电致变色层(3)上，在65摄氏度的温度下蒸发36小时将溶剂去除，从而在所述电致变色层(3)上形成70nm厚的所述离子导体层(4)，随后将所形成的四层结构被保持在干燥环境下；
步骤4：按照Ce原子与Ti原子数之比为1:1的比例将Ce(NH4)2(NO3)6与钛酸异丙酯溶解于乙醇中形成TiO2-CeO2先驱体溶胶，采用溶胶-凝胶法在所述离子导体层(4)上形成500nm厚的TiO2-CeO2层，即所述离子储存层(5)；
步骤5：以与步骤1相同的工艺在所述离子储存层(5)上形成850nm厚的SnO2:F层，即所述第二透明电极层(6)；
步骤6：在6*10^-5帕的真空环境及160摄氏度的衬底温度下，以CH4/SiH4作为反应气体，按照CH4/SiH4的流量比为30:25(mL/min)、在70Pa的反应气体压力和90摄氏度的反应气体温度的工艺条件以化学气相沉积法形成单结的所述p(a-SiC:H)层(7)，所述p(a-SiC:H)层(7)的厚度为10nm；
步骤7：接着依次沉积形成厚度为500nm的单结i(a-SiC:H)层(8)及厚度为10nm的单结n(a-SiC:H)层(9)；
步骤8：采用磁控溅射法在所述n(a-SiC:H)层(9)上形成ITO层作为所述第三透明电极层(10)，其中，所述ITO层具有两层结构，紧挨n(a-SiC:H)层(9)形成的是500nm厚的平坦层，在所述平坦层上又形成有周期性的圆台结构，所述圆台结构的高度为300nm；
步骤9：在所述第三透明电极层(10)上形成所述保护性的第二基底(11)；
所述电致变色薄膜的第二基底(11)固定在所述玻璃的室内侧表面上。
2.如权利要求1所述的智能窗，其中，在所述步骤2中，所述SnO2:F层是采用溶胶-凝胶法或者化学气相沉积法形成的。
3.如权利要求1或2所述的智能窗，其中，在所述第一基底(1)的与形成有所述第一透明电极层(2)相反的一侧上形成有抗磨层(12)。
4.如权利要求3所述的智能窗，其中，所述第一透明电极层(2)、所述电致变色层(3)、所述离子导体层(4)、所述离子储存层(5)及所述第二透明电极层(6)构成电致变色结构，其厚度被设计成使得所述电致变色结构具有2000欧姆的内阻；所述第二透明电极层(6)、所述p(a-SiC:H)层(7)、所述i(a-SiC:H)层(8)、所述n(a-SiC:H)层(9)及所述第三透明电极层(10)构成光伏电池结构。
5.如权利要求4所述的智能窗，其还包括电致变色控制电路、光伏电池整流稳压电路及功率储存电路，所述光伏电池整流稳压电路用于将所述光伏电池结构响应于光电响应输出的电流信号进行整流稳压；所述电致变色控制电路包括微功耗的单片机，其被设置成根据室外光强调节所述电致变色结构的变色程度和/或根据预先设定的时间来调节所述电致变色结构的变色程度。
6.如权利要求5所述的智能窗，其还包括与所述光伏电池结构配合的光强检测电路，所述检测电路包括初级信号提取放大电路，所述初级信号提取放大电路包括三个运算放大器OP1、OP2及OP3；其中，
所述运算放大器OP1的反相输入引脚2连接所述光伏电池结构的输出端，并且经电阻R1和电容C1并联形成的外反馈电路、电阻R3、电容C3及电阻R4连接所述运算放大器OP1的输出引脚6；所述运算放大器OP1的同相输入引脚3经所述电阻R2和电容C2的并联电路与地GND连接；
所述运算放大器OP2的同相输入引脚3经电阻R5和R4连接所述运算放大器OP1的输出引脚6，并且经电容C4接地GND，以及经电阻R5和电容C6连接所述运算放大器OP2的输出引脚6；所述运算放大器OP2的反相输入引脚2经电阻R6和电容C5的并联电路与所述运算放大器OP2的输出引脚6连接；所述运算放大器OP2的正电源引脚7连接正直流电源且经电容C8连接地GND，负电源引脚4连接负直流电源且经电容C7连接地GND；变阻器R8的调节端连接正直流电源，其余两端分别连接所述运算放大器OP2的引脚1和引脚8；
所述运算放大器OP3的反相输入引脚2连接所述运算放大器OP2的输出引脚6，并且经电阻R7和电容C9连接所述运算放大器OP3的输出引脚6；所述运算放大器OP3的同相输入引脚3经电阻R9和电容C10连接地GND，变阻器R10的调节端连接于电阻R9和电容C10之间，且其余两端分别连接正负直流电源；
其中，所述电容C3、C5及C9为pF量级，所述电容C7及C8μF量级。
7.如权利要求6所述的智能窗，其中所述正负直流电源提供±5V的直流电压。
8.如权利要求7所述的智能窗，其中还包括可开关式窗帘，所述可开关式窗帘设置于室内侧；所述智能窗被设置成借助WiFi信号接收外部指令来设定用于控制所述可开关式窗帘开关的时间、温度及光强参数中的一个或多个，以便在所述设定的时间、温度及光强参数下开启或者关闭所述可开关式窗帘。
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