CN109491172A - 电致变色器件的离子传导层材料筛选方法 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种电致变色器件的离子传导层材料筛选方法。所述电致变色器件包括两层透明导电层以及设置于两层透明导电层之间的离子传导层和电致变色层，所述筛选方法包括：建立电致变色器件模型；计算两层透明导电层之间的最小电势差ΔU_min；比较最小电势差ΔU_min与所述电致变色层的变色驱动电压U_bs的大小；ΔU_min≧U_bs时，该电致变色层采用的材料能作为所述电致变色器件的离子传导层材料。所述筛选方法通过对组成电致变色器件的材料参数数据处理，获取能够驱动所述电致变色器件电致变色的临界值σ_cdmax，电子电导率小于等于σ_cdmax的材料可用作离子传导层，从而提高筛选效率，缩短研制时间，减小研发成本。

Description

电致变色器件的离子传导层材料筛选方法

技术领域

本发明属于电致变色器件技术领域，具体涉及一种电致变色器件的离子传导层材料筛选方法。

背景技术

电致变色是指材料在外加电场的作用下，自身光学性能发生可逆变化的现象。目前已经被应用于建筑“智能窗”、汽车防眩后视镜等众多领域。

电致变色器件是实现电致变色现象的最小的结构单元。无机固态的电致变色器件，其结构一般包括：透明导电层/电致变色层/离子传导层/离子存储层/透明导电层。电致变色层的变色需要在外加电场的作用下才能实现，电致变色器件中透明导电层和离子传导层的主要作用之一就是在两个透明导电层之间形成足够的电势差，使电致变色层两侧的电势差大于其变色所需要的最小驱动电压，从而使电致变色器件具有电致变色的性能。

目前透明导电层多采用ITO(氧化铟锡)、FTO(掺杂氟的SnO₂(氧化锡)透明导电玻璃)和AZO(掺杂铝的ZnO(氧化锌)透明导电玻璃)等，相关技术已较为成熟，商业化程度高，性能稳定。

而对于离子传导层的材料，需要其具有尽可能低的电子电导率。现有的筛选离子传导层材料的研究方法主要是：通过制备电致变色器件实物，测试电致变色器件的电致变色性能，从而评价并筛选离子传导层的材料，但是电致变色器件实物的制备过程繁琐、周期长，筛选效率低，同时反复制备电致变色器件也造成成本浪费。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种电致变色器件的离子传导层材料筛选方法，所述筛选方法通过对组成电致变色器件的各层材料的参数(长l、宽w、高h、电子电导率σ)进行数据处理，获取能够驱动所述电致变色器件电致变色的离子传导层的电子电导率的临界值σ_cdmax，然后根据各种材料本身的电子电导率σ_cd的数据选择σ_cd小于临界值σ_cdmax的材料制作离子传导层，从而提高筛选效率，缩短研制时间，减小研发成本。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种电致变色器件的离子传导层材料筛选方法，所述电致变色器件包括两层透明导电层以及设置于两层透明导电层之间的离子传导层和电致变色层，所述筛选方法包括以下步骤：步骤1)建立电致变色器件模型；步骤2)计算两层透明导电层之间的最小电势差ΔU_min；步骤3)比较最小电势差ΔU_min与所述电致变色层的变色驱动电压U_bs的大小；ΔU_min≧U_bs时，该电致变色层采用的材料能作为所述电致变色器件的离子传导层材料。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

优选的，前述的电致变色器件的离子传导层材料筛选方法，其中步骤1)所述的电致变色器件模型，以y轴为长度方向、x轴为宽度方向和z轴为高度方向，从上至下依次包括：透明导电层，电致变色层，离子传导层，离子储存层和透明导电层；于透明导电层的一端沿y轴方向设置为所述透明导电层施加电压的电极。

优选的，前述的电致变色器件的离子传导层材料筛选方法，其中所述透明导电层包括第一透明导电层和第二透明导电层；所述的电致变色器件模型从上至下依次包括：第一透明导电层，电致变色层，离子传导层，离子储存层和第二透明导电层；所述第一透明导电层的参数至少包括：长度l、宽度w、高度h_dd1和电子导电率σ_dd1；所述电致变色层的参数至少包括：长度l、宽度w、高度h_bs、电子导电率σ_bs和变色驱动电压U_bs；所述离子传导层的参数至少包括：长度l、宽度w、高度h_cd和电子导电率σ_cd；所述离子储存层的参数至少包括：长度l、宽度w、高度h_cc和电子导电率σ_cc；所述第二透明导电层的参数至少包括：长度l、宽度w、高度h_dd2和电子导电率σ_dd2。

优选的，前述的电致变色器件的离子传导层材料筛选方法，其中于第一透明导电层的一端沿y轴方向设置为所述第一透明导电层施加电压的第一电极；于第二透明导电层的一端沿y轴方向设置为所述第二透明导电层施加电压的第二电极；所述第一电极在x轴的位置为0；所述第二电极在x轴的位置为w。

优选的，前述的电致变色器件的离子传导层材料筛选方法，其中步骤2)所述的计算两层透明导电层之间的最小电势差ΔU_min的方法如下：A、将组成电致变色器件模型的各层材料的参数输入数据处理系统，得到所述第一透明导电层和第二透明导电层于任意点的电势U；B、计算所述第一透明导电层任意点和第二透明导电层于同一位置的电势差；C、比较电势差的值，得到最小电势差ΔU_min。

优选的，前述的电致变色器件的离子传导层材料筛选方法，其中步骤B所述的电势差按照下述方法计算：

电致变色器件模型在横坐标x1点的电势差记为ΔU_X1，计算公式如下：

ΔU_X1＝U_1X1-U_2X1

其中，U_1X1为第一透明导电层在横坐标为x1点的电势，U_2X1为第二透明导电层在横坐标为x1点的电势；

沿x轴方向选取不同的位置，记为x_i；重复上述操作，得到位置x_i对应的电势差，记为ΔU_Xi。

优选的，前述的电致变色器件的离子传导层材料筛选方法，其中步骤C所述的比较电势差的值的方法采用绘图法，即：以x_i为横坐标，以ΔU_Xi为纵坐标，绘制ΔU随x变化的第一曲线，获取所述电致变色器件模型的最小电势差ΔU_min。

优选的，前述的电致变色器件的离子传导层材料筛选方法，其中步骤3)所述的比较最小电势差ΔU_min与所述电致变色层的变色驱动电压U_bs的大小的方法包括以下步骤：Ⅰ、将电致变色器件模型中离子传导层的电子导电率σ_cd参数输入数据处理系统，获取该种离子传导层材料下的最小电势差ΔU_min；Ⅱ、调整所述离子传导层的电子导电率σ_cd参数，获得不同σ_cd下的最小电势差ΔU_min；Ⅲ、以σ_cd为横坐标，以ΔU_min为纵坐标，绘制ΔU_min随σ_cd变化的第二曲线；IV、在第二曲线上，当ΔU_min等于所述电致变色层的变色驱动电压U_bs时，所述的离子传导层的电子导电率σ_cd的取值为能够使所述电致变色器件变色的临界值σ_cdmax；ΔU_min≧U_bs时，即电子电导率σ_cd≦σ_cdmax的材料能作为所述电致变色器件的离子传导层材料。

借由上述技术方案，本发明提出的电致变色器件的离子传导层材料筛选方法至少具有下列优点：

所述的电致变色器件的离子传导层材料筛选方法通过所述的电致变色器件采用材料的参数即可计算出两层透明导电层任意点的电势；进一步获得两层透明导电层于同一位置的电势差ΔU；多次计算两层透明导电层在不同位置的电势差，绘“x-ΔU”图得到两层透明导电层之间的最小电势差；调整离子导电层的电子电导率参数σ_cd，重复上述步骤，获得一些列对应的最小电势差，绘“σ_cd-ΔU_min”图得到最小电势差为变色驱动电压时候的σ_cd，记为σ_cdmax。根据材料的σ_cd是否小于或者等于σ_cdmax即可判断该种材料是否能够用作电致变色器件的离子导电层材料；而不需要制作出电致变色器件的实物进行实际测试才能做出判断。该方法节省了操作程序，提高了筛选效率，缩短了研制时间，同时节约了研发成本。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本发明所建立的电致变色器件的模型结构示意图；

图2是本发明的第一曲线的示意图；

图3是本发明的第二曲线的示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的电致变色器件的离子传导层材料筛选方法其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

本发明提出的一种电致变色器件的离子传导层材料筛选方法，所述电致变色器件包括两层透明导电层以及设置于两层透明导电层之间的离子传导层和电致变色层，所述筛选方法包括以下步骤：步骤1)建立电致变色器件模型；步骤2)计算两层透明导电层之间的最小电势差ΔU_min；步骤3)比较最小电势差ΔU_min与所述电致变色层的变色驱动电压U_bs的大小；ΔU_min≧U_bs时，该电致变色层采用的材料能作为所述电致变色器件的离子传导层材料。

优选的，前述的电致变色器件的离子传导层材料筛选方法，其中步骤1)所述的电致变色器件模型，以y轴为长度方向、x轴为宽度方向和z轴为高度方向，从上至下依次包括：透明导电层，电致变色层，离子传导层，离子储存层和透明导电层；于透明导电层的一端沿y轴方向设置为所述透明导电层施加电压的电极。

所述电致变色器件的电极沿y轴方向设置，因此，所述透明导电层的电势沿x轴方向变化；在x轴的同一位置上，所述透明导电层的电势沿y轴方向不变。

优选的，前述的电致变色器件的离子传导层材料筛选方法，其中所述透明导电层包括第一透明导电层和第二透明导电层；所述的电致变色器件模型从上至下依次包括：第一透明导电层，电致变色层，离子传导层，离子储存层和第二透明导电层；所述第一透明导电层的参数至少包括：长度l、宽度w、高度h_dd1和电子导电率σ_dd1；所述电致变色层的参数至少包括：长度l、宽度w、高度h_bs、电子导电率σ_bs和变色驱动电压U_bs；所述离子传导层的参数至少包括：长度l、宽度w、高度h_cd和电子导电率σ_cd；所述离子储存层的参数至少包括：长度l、宽度w、高度h_cc和电子导电率σ_cc；所述第二透明导电层的参数至少包括：长度l、宽度w、高度h_dd2和电子导电率σ_dd2。

所述电致变色器件的模型一般包含五层结构，依次为第一透明导电层、电致变色层、离子传导层、离子存储层和第二透明导电层，在所述第一透明导电层设置第一电极为所述第一透明导电层施加电压，在所述第二透明导电层设置第二电极为所述第二透明导电层施加电压；通过两层透明导电层之间的电势差驱动所述电致变色层电致变色。

优选的，前述的电致变色器件的离子传导层材料筛选方法，其中于第一透明导电层的一端沿y轴方向设置为所述第一透明导电层施加电压的第一电极；于第二透明导电层的一端沿y轴方向设置为所述第二透明导电层施加电压的第二电极；所述第一电极在x轴的位置为0；所述第二电极在x轴的位置为w。

所述的电极材料大多为不透明的材料，因此电致变色玻璃中一般都是将电极设置于玻璃的边缘，以免影响所述的致变色器件的外观和视野。为了保证电致变色器件的变色效果，两层透明导电层的电极平行设置于相对端。

电极一般为长期固定连接，可以使用铜胶带连接，也可以采用银浆涂刷在玻璃边缘；施加电势差后玻璃就会变色，将电势反转玻璃即可复原。

优选的，前述的电致变色器件的离子传导层材料筛选方法，其中步骤2)所述的计算两层透明导电层之间的最小电势差ΔU_min的方法如下：A、将组成电致变色器件模型的各层材料的参数输入数据处理系统，得到所述第一透明导电层和第二透明导电层于任意点的电势U；B、计算所述第一透明导电层任意点和第二透明导电层于同一位置的电势差；C、比较电势差的值，得到最小电势差ΔU_min。

所述电致变色器件的各参数，如：各层的长度l、宽度w、高度h以及电子电导率σ以及两个电极各自的规格和位置，将其输入数据处理系统，可以获得所述电致变色器件中任意点的电势数据。

所述的数据处理系统为市售的有限元软件。

优选的，前述的电致变色器件的离子传导层材料筛选方法，其中步骤B所述的电势差按照下述方法计算：

电致变色器件模型在横坐标x1点的电势差记为ΔU_X1，计算公式如下：

ΔU_X1＝U_1X1-U_2X1

其中，U_1X1为第一透明导电层在横坐标为x1点的电势，U_2X1为第二透明导电层在横坐标为x1点的电势；

沿x轴方向选取不同的位置，记为x_i；重复上述操作，得到位置x_i对应的电势差，记为ΔU_Xi。

优选的，前述的电致变色器件的离子传导层材料筛选方法，其中步骤C所述的比较电势差的值的方法采用绘图法，即：以x_i为横坐标，以ΔU_Xi为纵坐标，绘制ΔU随x变化的第一曲线，获取所述电致变色器件模型的最小电势差ΔU_min。

所述的绘图法可以手工绘图也可以电脑绘图。

所述的第一曲线示意图如附图2所示。

所述的第一曲线为开口向上的抛物线；所述抛物线的最低点，也即最小电势差所在的位置为所述透明导电层中间的位置。

优选的，前述的电致变色器件的离子传导层材料筛选方法，其中步骤3)所述的比较最小电势差ΔU_min与所述电致变色层的变色驱动电压U_bs的大小的方法包括以下步骤：Ⅰ、将电致变色器件模型中离子传导层的电子导电率σ_cd参数输入数据处理系统，获取该种离子传导层材料下的最小电势差ΔU_min；Ⅱ、调整所述离子传导层的电子导电率σ_cd参数，获得不同σ_cd下的最小电势差ΔU_min；Ⅲ、以σ_cd为横坐标，以ΔU_min为纵坐标，绘制ΔU_min随σ_cd变化的第二曲线；IV、在第二曲线上，当ΔU_min等于所述电致变色层的变色驱动电压U_bs时，所述的离子传导层的电子导电率σ_cd的取值为能够使所述电致变色器件变色的临界值σ_cdmax；

ΔU_min≧U_bs时，即电子电导率σ_cd≦σ_cdmax的材料能作为所述电致变色器件的离子传导层材料。

当进行所述电致变色器件的离子传导层材料筛选时，需要将其中除离子传导层的材料之外的其他因素，如：各层的物理尺寸，其他各层的材料，以及电极的规格和位置等因素均予以固定，只有离子传导层的材料一个因素可以调整。

所述的离子传导层的电子导电率σ_cd与离子传导层的材料种类具有对应关系。

所述的第二曲线可以手工绘图也可以电脑绘图。

所述的第二曲线示意图如附图3所示。

所述的第二曲线近似为单调减的函数曲线，当最小电势差ΔU_min大于或者等于电致变色层的驱动电压U_bs时，所述电致变色器件能够电致变色，所述离子导电层的材料可用于所述电致变色器件中；当最小电势差ΔU_min小于电致变色层的驱动电压U_bs时，所述离子导电层的材料不能用于所述电致变色器件中。

实施例：

建立电致变色器件的模型，所述电致变色器件的模型由正方形的五层膜组成，所述正方形的尺寸为长30mm和宽30mm，如附图1所示，以y轴为长度方向、x轴为宽度方向和z轴为厚度方向，从上至下依次为第一透明导电层/电致变色层/离子传导层/离子存储层/第二透明导电层；两层透明导电层的材质均采用ITO，其厚度均为200nm，其电子电导率10⁶S/m；所述电致变色层的材质采用WO₃，其厚度为200nm，其电子电导率0.17S/m；所述离子传导层的厚度为50nm；所述离子存储层的材质采用LiNiO_x，其厚度为100nm，其电子电导率为0.012S/m。第一电极设置于第一透明导电层的边AB上，其电势为3V；第二电极设置于第二透明导电层的边上，其电势为0V。

将上述参数输入数据处理系统，所述数据处理系统采用市售的有限元分析软件；沿x轴方向选择11个位置，计算所述第一透明导电层和第二透明导电层在该11个位置的电势U。当离子传导层的电子导电率σ_cd为2.5×10^-6S/m时，所述ΔU的计算结果见下表1。

表1第一透明导电层和第二透明导电层的电势数据表

x轴方向位置mm	U<sub>1X1</sub>，V	U<sub>2X1</sub>，V	ΔU，V
				0	3	1.3639	1.6361
3	2.74546	1.34656	1.3989
				6	2.52139	1.29754	1.22385
9	2.32736	1.22188	1.10548
				12	2.15157	1.11742	1.03415
15	2.00592	0.99391	1.01202
				18	1.88126	0.84631	1.03494
21	1.78081	0.67749	1.10332
				24	1.70228	0.47647	1.22581
27	1.65355	0.25236	1.4012
				30	1.63650	4.5017×10<sup>-8</sup>	1.63650

将上述的11个点以x轴的位置为横坐标、ΔU为纵坐标描点绘图，得第一曲线，如附图2所示，所述的第一曲线近似于抛物线，所述的抛物线的最低点为ΔU_min。

调整离子传导层的电子导电率σ_cd的值，重复上述操作，所得的数据见下表2所示。

表2离子传导层的σ_cd与ΔU_min数据表

将上述的10个点以σ_cd为横坐标、ΔU_min为纵坐标描点绘图，得第二曲线，如附图3所示，所述的第二曲线单点递减。

所述电致变色层的材质为WO₃，其驱动电压为1.5V。在第二曲线中，当ΔU_min＝1.5V时，所述的σ_cdmax≈1.35×10^-6S/m。

由此可见，当某种材料的电子电导率σ_cd满足σ_cd≦σ_cdmax时，则该种材料可用作电致变色器件中的离子传导层材料。

按照与实施例1相同的参数制作电致变色器件实物，测试其电致变色性能。

当制作实物使用的离子传导层材料的电子电导率大于1.35×10^-6S/m，且于所述电极上施加3V电压时，所述的电致变色器件无法电致变色；当制作实物使用的离子传导层材料的电子电导率小于或者等于1.35×10^-6S/m，且于所述电极上施加3V电压时，所述的电致变色器件能够电致变色。

由此可见，本发明提出的电致变色器件的离子传导层材料筛选方法准确可靠，可以用于快速筛选电致变色器件的离子传导层材料，从而提高筛选效率，缩短研制时间，减小研发成本。

本发明权利要求和/或说明书中的技术特征可以进行组合，其组合方式不限于权利要求中通过引用关系得到的组合。通过权利要求和/或说明书中的技术特征进行组合得到的技术方案，也是本发明的保护范围。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种电致变色器件的离子传导层材料筛选方法，所述电致变色器件包括两层透明导电层以及设置于两层透明导电层之间的离子传导层和电致变色层，其特征在于，所述筛选方法包括以下步骤：

步骤1)建立电致变色器件模型；

步骤2)计算两层透明导电层之间的最小电势差ΔU_min；

步骤3)比较最小电势差ΔU_min与所述电致变色层的变色驱动电压U_bs的大小；

ΔU_min≧U_bs时，该电致变色层采用的材料能作为所述电致变色器件的离子传导层材料。

2.根据权利要求1所述的电致变色器件的离子传导层材料筛选方法，其特征在于，

步骤1)所述的电致变色器件模型，以y轴为长度方向、x轴为宽度方向和z轴为高度方向，从上至下依次包括：透明导电层，电致变色层，离子传导层，离子储存层和透明导电层；

于透明导电层的一端沿y轴方向设置为所述透明导电层施加电压的电极。

3.根据权利要求2所述的电致变色器件的离子传导层材料筛选方法，其特征在于，

所述透明导电层包括第一透明导电层和第二透明导电层；

所述的电致变色器件模型从上至下依次包括：第一透明导电层，电致变色层，离子传导层，离子储存层和第二透明导电层；

所述第一透明导电层的参数至少包括：长度l、宽度w、高度h_dd1和电子导电率σ_dd1；

所述电致变色层的参数至少包括：长度l、宽度w、高度h_bs、电子导电率σ_bs和变色驱动电压U_bs；

所述离子传导层的参数至少包括：长度l、宽度w、高度h_cd和电子导电率σ_cd；

所述离子储存层的参数至少包括：长度l、宽度w、高度h_cc和电子导电率σ_cc；

所述第二透明导电层的参数至少包括：长度l、宽度w、高度h_dd2和电子导电率σ_dd2。

4.根据权利要求3所述的电致变色器件的离子传导层材料筛选方法，其特征在于，

于第一透明导电层的一端沿y轴方向设置为所述第一透明导电层施加电压的第一电极；

于第二透明导电层的一端沿y轴方向设置为所述第二透明导电层施加电压的第二电极；

所述第一电极在x轴的位置为0；所述第二电极在x轴的位置为w。

5.根据权利要求3所述的电致变色器件的离子传导层材料筛选方法，其特征在于，

步骤2)所述的计算两层透明导电层之间的最小电势差ΔU_min的方法如下：

A、将组成电致变色器件模型的各层材料的参数输入数据处理系统，得到所述第一透明导电层和第二透明导电层于任意点的电势U；

B、计算所述第一透明导电层任意点和第二透明导电层于同一位置的电势差；

C、比较电势差的值，得到最小电势差ΔU_min。

6.根据权利要求5所述的电致变色器件的离子传导层材料筛选方法，其特征在于，

步骤B所述的电势差按照下述方法计算：

电致变色器件模型在横坐标x1点的电势差记为ΔU_X1，计算公式如下：

ΔU_X1＝U_1X1-U_2X1

其中，U_1X1为第一透明导电层在横坐标为x1点的电势，U_2X1为第二透明导电层在横坐标为x1点的电势；

沿x轴方向选取不同的位置，记为x_i；

重复上述操作，得到位置x_i对应的电势差，记为ΔU_Xi。

7.根据权利要求6所述的电致变色器件的离子传导层材料筛选方法，其特征在于，

步骤C所述的比较电势差的值的方法采用绘图法，即：

以x_i为横坐标，以ΔU_Xi为纵坐标，绘制ΔU随x变化的第一曲线，获取所述电致变色器件模型的最小电势差ΔU_min。

8.根据权利要求5-7任一项所述的电致变色器件的离子传导层材料筛选方法，其特征在于，

步骤3)所述的比较最小电势差ΔU_min与所述电致变色层的变色驱动电压U_bs的大小的方法包括以下步骤：

Ⅰ、将电致变色器件模型中离子传导层的电子导电率σ_cd参数输入数据处理系统，获取该种离子传导层材料下的最小电势差ΔU_min；

Ⅱ、调整所述离子传导层的电子导电率σ_cd参数，获得不同σ_cd下的最小电势差ΔU_min；

Ⅲ、以σ_cd为横坐标，以ΔU_min为纵坐标，绘制ΔU_min随σ_cd变化的第二曲线；

IV、在第二曲线上，当ΔU_min等于所述电致变色层的变色驱动电压U_bs时，所述的离子传导层的电子导电率σ_cd的取值为能够使所述电致变色器件变色的临界值σ_cdmax；

ΔU_min≧U_bs时，即电子电导率σ_cd≦σ_cdmax的材料能作为所述电致变色器件的离子传导层材料。