CN109634019B - 一种电致变色器件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电致变色器件及其制造方法，包括透明电极层、变色层和电解质层；所述变色层覆盖于所述透明电极层上表面，且所述变色层为具有缺陷态结构并含有可迁移电子的电致变色材料；所述电解质层覆盖于所述变色层上表面，并且电解质层与所述变色层之间的接触面形成离子迁移界面；通过一外接电源为所述透明电极层提供横向工作电压。本发明通过采用具有缺陷态结构并含有可迁移电子的电致变色材料作为变色层，仅通过外加电压的透明电极层、电解质层与变色层的相互作用即可使其达到控制变色的效果。具有厚度薄、未通电时为常闭模式的优点，在智能窗、显示器、文件加密以及变色眼镜等领域具有较好的应用前景。

Description

一种电致变色器件及其制造方法
技术领域
本发明涉及电致变色领域，尤其涉及一种电致变色器件及其制造方法。
背景技术
电致变色材料是一种在外界电刺激下可以发生稳定可逆的颜色变化，同时具有光学调制能力的一种智能材料。以电致变色材料为核心层，匹配相应的电解质层和对电极层组装可以得到三明治结构的电致变色器件，它可以应用于建筑等的装配窗(也称智能窗)、显示器、文件加密以及变色眼镜等领域。
请参见图1，图1为传统电致变色器件的结构示意图。其结构自下而上依次包括第一透明导电基板1、变色层2、电解质层3、离子存储层4和第二透明导电基板5，且在第一透明导电基板1和第二透明导电基板5之间连接一外电路为其提供电压。其中，变色层2采用电致变色材料；电解质层3具有丰富的活性离子；离子存储层4既用于提供和储存变色层2变色所需要的离子，起到平衡电荷的作用，同时还用于保护第一透明导电基板1，即如果没有设置离子存储层4，则当电致变色器件加载反向电压进行褪色时，变色层2内的离子在被抽取的过程中，大量的往第一透明导电基板方向迁移而攻击第一透明导电基板1，会损害第一透明导电基板1。
传统电致变色器件的工作过程通常包括以下两步：(1)在第一透明导电基板1和第二透明导电基板5之间施加一正向电压，在正向电场作用下，离子存储层4中的离子注入电解质层3，电解质层3中的活性离子注入变色层2，引起变色层2发生着色过程，形成着色态；(2)在第一透明导电基板1和第二透明导电基板5之间施加一反向电压，在反向电场的作用下，活性离子从变色层2中抽取出来进入电解质层3中，电解质层3中的活性离子再进入离子存储层4，引起变色层2发生褪色过程，使其回到初始态。即当注入离子时，若变色层2表现为着色态，则离子存储层4表现为褪色态，当抽出离子时，变色层2从着色态变成了褪色态，而离子存储层4从褪色态变成了着色态。
传统的电致变色器件需要设置离子储存层、上透明电极层及上下透明电极层之间的垂直电压，通过垂直电压使活性离子的注入和抽出均在竖直方向进行，且离子存储层和变色层位于竖直方向的不同功能层上，这对于减小器件厚度、提高器件的集成度具有较大的限制，同时其复杂的结构、高昂的制备及使用成本，且常关闭状态为非着色态的缺点，无法根据需要定制电致变色器件常关闭模式时的初始透光率及工作时调光率，极大的限制了电致变色器件大范围商业化应用。
发明内容
基于此，本发明的目的在于，克服现有技术中的缺点和不足，提供了一种厚度薄、未通电时为常闭模式的电致变色器件。
本发明是通过以下技术方案实现的：包括透明电极层、变色层和电解质层；所述变色层覆盖于所述透明电极层上表面，且所述变色层为具有缺陷态结构并含有可迁移电子的电致变色材料；所述电解质层覆盖于所述变色层上表面，并且在电解质层与所述变色层的接触面形成离子迁移界面；通过一外接电源为所述透明电极层提供横向工作电压。
本发明的电致变色器件通过采用具有缺陷态结构并含有可迁移电子的电致变色材料作为变色层，仅通过外加电压的透明电极层、电解质层与变色层的相互作用，即可使其达到控制变色的效果，省略了离子储存层、上透明电极层及上下透明电极层之间的垂直电压，从而无需活性离子的垂直注入，减小了器件厚度，提高了器件的集成度，具有结构简单、制备及使用成本低廉，且常关闭状态为着色态的优点，实现了根据需要定制该器件常关闭模式时的初始透光率及器件工作时调光率。
进一步地，所述变色层为缺氧态三氧化钨薄膜。基于缺氧态三氧化钨薄膜的电致变色器件，通过构筑缺氧态三氧化钨薄膜的氧空位缺陷，产生大量的可迁移电子，且有利于电子在缺氧态三氧化钨薄膜的缺陷态结构中迁移，实现器件不同颜色状态的转换，以达到智能调光。
进一步地，所述电解质层为凝胶态电解质层，或含锂离子的有机溶剂层，或是含氢离子、或钠离子、或钾离子、或铝离子的水溶液层。为在所述电解质层与所述变色层的接触面形成离子迁移界面提供条件。
进一步地，还包括透光层，所述透光层覆盖于所述电解质层上表面。
进一步地，还包括封装层，所述封装层填充于变色层和电解质层的侧边、且位于所述透光层和所述透明电极层之间的相对空隙中。使本发明的电致变色器件的内腔形成一封闭空间。
进一步地，还包括气体保护层，所述气体保护层填充在所述透光层、电解质层和封装层所形成的封闭空隙中。用以保护变色层和电解质层免受外界气体的氧化。
进一步地，所述气体保护层填充的气体为氮气或惰性气体。
本发明还提供了一种电致变色器件的制造方法，包括以下步骤：
S1：在透明电极层的上表面形成变色层、及与所述变色层不接触的两个电极，所述变色层具有缺陷态结构且含有可迁移电子；
S2：在所述变色层的上表面涂覆含有变色阳离子的电解质层，所述电解质层与所述变色层之间的接触面形成离子迁移界面，且所述电解质层与所述电极不接触。
进一步地，所述变色层为缺氧态三氧化钨薄膜；通过热蒸发三氧化钨粉末，在所述透明电极层上沉积形成所述缺氧态三氧化钨薄膜。
进一步地，在热蒸发三氧化钨粉末的过程中，通过控制热蒸发过程中低温段的温度和时间，以控制形成所述缺氧态三氧化钨薄膜的氧缺陷程度，温度越高、时间越长，缺氧态三氧化钨薄膜的氧缺陷程度越大，其颜色越深。
进一步地，还包括步骤S3，在所述电解质层的上表面覆盖透光层。
进一步地，还包括步骤S4，将步骤S3所获得的器件放置在保护气体的空间中，使保护气体充满在透光层与电解质层之间。
进一步地，还包括步骤S5，在保护气体的氛围中，在所述变色层和所述电解质层的侧边、及所述透光层和所述透明电极层之间的相对空隙中填充封装层。
进一步地，还包括步骤S6，通过一外接电源连通所述透明电极层上的电极，以提供横向工作电压。
为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
附图说明
图1为传统电致变色器件的结构示意图。
图2为实施例1的电致变色器件的结构示意图。
图3为实施例1中通过热蒸发制得的缺氧态三氧化钨薄膜的XRD测试结果。
图4为实施例1中通过热蒸发制得的缺氧态三氧化钨薄膜的XPS测试结果。
图5为实施例1中通过热蒸发制得的不同缺氧态三氧化钨薄膜的实物照片。
图6为实施例1中通过热蒸发制得的缺氧态三氧化钨薄膜封装而成的电致变色器件的效果示意图。
具体实施方式
本申请的发明人通过研究发现，将具有缺陷态结构及可迁移电子的电致变色薄膜与具有丰富活性离子的电解质层层叠设置，当变色层底部的透明导电层中有电流流过时，电致变色薄膜会根据电流的方向而改变颜色的深浅度。根据这个现象，进一步研究本发明的电致变色器件。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1
请参阅图2，其为本实施例的电致变色器件的结构示意图。本发明的电致变色器件10包括自下而上依次层叠设置的透明电极层11、变色层12、电解质层13、气体保护层14和透光层15。另外，还包括封装层16，其填充于变色层12和电解质层13的侧边、且位于所述透光层15和所述透明电极层11之间的相对空隙中。所述透明电极层11上还设有与所述变色层12及电解质层13不相接触的两电极(图未示)，用以连接外电路，通过外电路向该电致变色器件10提供在透明电极层11平面方向上的横向电压U1。
具体地，所述变色层12为具有缺陷态结构且含有可迁移电子的电致变色材料，优选为缺氧态三氧化钨薄膜。
电致变色材料(Electrochromic material，EC)在外电场作用下自身颜色发生可逆变化，许多过渡族金属氧化物具有电致变色特性，这些金属氧化物按着色方式可分为还原过程阴极着色材料，如W、Mo、V、Nb和Ti的氧化物等，及氧化过程阳极着色材料，如Ir、Rh、Ni、和Co等氧化物等。
通常金属氧化物的金属原子具有配位饱和的特点，不便于电子的迁移。而“缺陷态”是在配位饱和的化学结构上形成的缺陷，例如空位、错位等，包括表面缺陷和界面缺陷，使基质中电子所经受的势场偏离了理想的周期势场，因而会改变电子的运动状态，导致一些与理想晶体能带中的状态不同的能态或能级，特别是可以在禁带中形成了某些定预能级。
具体地，本实施例选取其中一种阴极着色电致变色材料三氧化钨为具体研究实验对象进行说明。缺氧态三氧化钨为具有缺陷态的三氧化钨，其由于具有缺陷态结构的存在，产生了大量的可迁移电子，且有利于电子在缺氧态三氧化钨薄膜中的迁移。标准配比的三氧化钨薄膜的分子式是WO3，而缺氧态三氧化钨薄膜的分子式是WO3-x。
另外，所述透明电极层11可以为透明导电ITO薄膜、TCO薄膜、碳纳米管CNT薄膜、石墨烯薄膜或银纳米线薄膜的一种或几种的复合。
所述电解质层13可以为凝胶态电解质层或液态电解质层，主要含有变色阳离子。液态电解质层为含锂离子的有机溶剂，或是含氢离子、钠离子、钾离子、铝离子的水溶液涂覆在所述变色层表面形成电解质层。为在所述电解质层与所述变色层的接触面形成离子迁移界面提供条件。所述变色阳离子即指氢离子、钠离子、钾离子、铝离子等。
所述气体保护层14的气体为氮气或惰性气体氦气、氩气等，填充在所述透光层15、电解质层13和封装层16所形成的封闭空隙中，用以保护变色层12和电解质层13免受外界气体的氧化。
所述透光层15为普通硅钙玻璃。
所述封装层16为粘结剂封装材料。使本发明的电致变色器件的内腔形成一封闭空间。
以下，以缺氧态三氧化钨薄膜作为变色层及以含锂离子的有机溶剂作为电解质层为例，说明本发明的电致变色器件的具体工作原理：
通过外接电路向所述透明电极层11提供横向工作电压U1，在所述透明电极层11中产生电流，所述电流不经过缺氧态三氧化钨薄膜和含锂离子的电解质层13。根据电磁学原理，所述电流会产生一定强度的恒定磁场，磁场方向满足安培环路定理。所述恒定磁场改变电解质层13与缺氧态三氧化钨薄膜之间固液界面处电解质层13中的锂离子分布，从而形成离子迁移界面，并驱动缺氧态三氧化钨薄膜中的可迁移电子在缺氧态三氧化钨薄膜中统一朝一侧迁移。缺氧态三氧化钨薄膜中电子的迁移，使得富集该电子的区域透光率下降，变为深着色态，而减少该电子的区域透光率增大，为褪色态。褪色态区域与深着色态区域的面积比例分别与横向工作电压U1的大小和其作用时间长短有关，工作电压越大、作用时间越长，褪色态区域与深着色态区域面积比例则越大，可以据此决定褪色态区域(作为透光窗户)与深着色态区域(作为边框)的位置。横向工作电压U1优选为3～50V。所述变色层3初始化状态、褪色态和深着色态的透光率大小关系为：褪色态透光率>初始化状态透光率>深着色态透光率。当撤去横向工作电压U1后，变色层的深着色态区域的可迁移电子往褪色态区域扩散，使变色层恢复均匀着色的状态，电致变色器件回到常关闭模式。
基于上述电致变色器件的结构，本实施例还提供一种电致变色器件的制备方法，包括以下步骤：
S1-1：通过掩膜法，在透明电极层11表面上形成变色层12，所述变色层12有缺陷态结构且含有可迁移电子；
S1-2：通过掩膜法，在透明电极层11的不同位置分别制备电极(图未示)，且该电极不与变色层12接触；
S2：在所述变色层12的表面涂覆含有变色阳离子的电解质形成电解质层13，且该电解质层13不与电极接触；具体地，在本实施例中，所述电解质为含锂离子的有机溶剂。
S3：在所述电解质层13上表面覆盖透光层15。
S4：将步骤S3所获得的器件放置在保护气体的空间中，使保护气体充满在透光层15与电解质层13之间，以防止变色层12及电解质层13被氧化。
S5：在保护气体的氛围中，在所述变色层12和所述电解质层13的侧边、及所述透光层15和所述透明电极层11之间的相对空隙中填充粘结剂，形成封装层16。
S6：通过一外接电源连通所述透明电极层上11的两个电极，以提供横向工作电压U。
当所述变色层选取为缺氧态三氧化钨薄膜时，所述步骤S1-1具体为通过热蒸发三氧化钨粉末在所述透明电极层形成缺氧态三氧化钨薄膜。请参见图3，图3为实施例1中通过热蒸发制得的缺氧态三氧化钨薄膜的XRD测试结果，该XRD测试结果显示缺氧态三氧化钨薄膜为非晶态。
在热蒸发三氧化钨粉末的过程中，主要包括两个工段：高温段和低温段。其中，高温段的蒸发温度通过控制热蒸发设备的蒸发电流来实现，低温段的保温温度通过控制热蒸发设备的保温电流来实现。本实施例中，通过控制热蒸发过程中低温段的温度和时间，以控制形成所述缺氧态三氧化钨薄膜的氧缺陷程度，温度越高、时间越长，缺氧态三氧化钨薄膜的氧缺陷程度越大，薄膜的颜色越深。请参见图4，其为通过热蒸发制得的缺氧态三氧化钨薄膜的XPS测试结果，通过调节三氧化钨薄膜热蒸发制备过程中低温段的温度和时间，分别得到较透明的和蓝色的三氧化钨薄膜。该XPS测试结果表明：透明的三氧化钨薄膜中，只显示W6+的存在，没有明显W5+存在，形成透明的WO3薄膜，即图4(a)所示；而蓝色的三氧化钨薄膜中，有明显的氧缺陷态W5+存在，形成蓝色的缺氧态三氧化钨薄膜，即图4(b)所示。
请参见图5，图5为实施例1中通过热蒸发制得的不同缺氧态三氧化钨薄膜的实物照片，表明缺氧态三氧化钨薄膜因氧缺陷程度的不同而呈不同的颜色。以下均以2.0g三氧化钨粉为例，在采用热蒸发制备缺氧态三氧化钨薄膜的过程中，(1)在高温段，设置热蒸发设备的热蒸发电流为140A、蒸发时间为15min，不设置低温段，制备的缺氧态三氧化钨薄膜为透明色，即图5(a)所示；(2)在高温段，设置热蒸发设备的热蒸发电流为140A、蒸发时间为15min；在低温段，设置保温电流为145A、保温时间为5min，制备的缺氧态三氧化钨薄膜为淡蓝色，即图5(b)所示；(3)在高温段，设置热蒸发设备的热蒸发电流为140A、蒸发时间为15min；在低温段，保温电流为145A、保温时间为10min时，制备的缺氧态三氧化钨薄膜为深蓝色，即图5(c)所示。
用户可以根据需求调节缺氧态三氧化钨薄膜热蒸发制备过程中的相关参数，以调控缺氧态三氧化钨薄膜的氧缺陷程度，从而实现了根据需要定制该器件常关闭模式时的初始透光率及器件工作时调光率(初始透光率和褪色态透光率之间的差值)。
为了更好地展示本实施例的变色原理和效果，请参阅图6，其为效果示意图。图6(a)中的电致变色器件10已经去掉了气体保护层14和透光层15，且电解质层13为含锂离子的有机溶剂。此时器件处于初始透光率状态，对应器件的常关闭模式；通过外电路加载4V的横向工作电压U1后，透明电极层11中流动的电流产生恒定磁场，磁场方向满足安培环路定理。所述恒定磁场改变电解质层13与变色层12之间固液界面处电解质层13中的锂离子分布，从而形成离子迁移界面，并驱动变色层12中的可迁移电子向变色层12的一侧迁移。变色层12中电子的迁移，使得富集该电子的区域透光率下降，变为深着色态，而减少该电子的区域透光率增大，为褪色态。此时，器件处于调光状态，对应器件的打开模式，如图6(b)所示；当撤回横向工作电压U1后，变色层12中的可迁移电子便从变色层12的深着色态区域往褪色态区域扩散，使变色层12恢复均匀着色的状态，此时，器件回到初始透光率状态，对应器件回到常关闭模式，即图6(c)所示。用户通过对横向工作电压U1的大小及其作用时间进行调控，控制褪色区域的大小，即可实现本发明的电致变色调光窗户的开闭控制。
相对于现有技术，本发明的电致变色器件通过采用含有可迁移电子的电致变色材料作为变色层，仅通过外加电压的透明电极层、电解质层与变色层的相互作用，即可使其达到控制变色的效果，省略了离子储存层、上透明电极层及上下透明电极层之间的垂直电压，从而无需活性离子的垂直注入，减小了器件厚度，提高了器件的集成度，具有结构简单、制备及使用成本低廉，且常关闭状态为着色态的优点，实现了根据需要定制该器件常关闭模式时的初始透光率及器件工作时调光率。
基于缺氧态三氧化钨薄膜，通过构筑缺氧态三氧化钨薄膜的氧空位缺陷，从而产生大量的可迁移电子，且有利于电子在缺氧态三氧化钨薄膜的缺陷态结构中迁移，实现器件不同颜色状态的转换，以达到智能调光。且其省略了离子储存层、上透明电极层及上下透明电极层之间的垂直电压，从而无需活性离子的垂直注入，减小了器件厚度，提高了器件的集成度，具有结构简单、制备及使用成本低廉，且常关闭状态为着色态的优点，实现了根据需要定制该器件常关闭模式时的初始透光率及器件工作时调光率。在智能窗、显示器、文件加密以及变色眼镜等领域具有较好的应用前景。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种电致变色器件，其特征在于：由透明电极层、变色层和电解质层构成；所述变色层覆盖于所述透明电极层上表面，且所述变色层为具有缺陷态结构并含有可迁移电子的电致变色材料，所述变色层为缺氧态三氧化钨薄膜；所述电解质层覆盖于所述变色层上表面，并且在电解质层与所述变色层的接触面形成离子迁移界面；通过一外接电源为所述透明电极层提供横向工作电压；
通过热蒸发三氧化钨粉末，在所述透明电极层上沉积形成所述缺氧态三氧化钨薄膜；在热蒸发三氧化钨粉末的过程中，包括高温段和低温段，通过控制热蒸发过程中低温段的温度和时间，以控制形成所述缺氧态三氧化钨薄膜的氧缺陷程度，温度越高、时间越长，缺氧态三氧化钨薄膜的氧缺陷程度越大，其颜色越深；
高温段的蒸发温度通过控制热蒸发设备的蒸发电流来实现，低温段的保温温度通过控制热蒸发设备的保温电流来实现；其中，在高温段，设置热蒸发设备的热蒸发电流为140 A、蒸发时间为15 min，在低温段，设置保温电流为145 A、保温时间为5 min，制备的缺氧态三氧化钨薄膜为淡蓝色；或者，在高温段，设置热蒸发设备的热蒸发电流为140 A、蒸发时间为15 min，在低温段，保温电流为145 A、保温时间为10 min，制备的缺氧态三氧化钨薄膜为深蓝色。
2.根据权利要求1所述的电致变色器件，其特征在于：所述电解质层为凝胶态电解质层，或含锂离子的有机溶剂层，或是含氢离子、或钠离子、或钾离子、或铝离子的水溶液层。
3.根据权利要求2所述的电致变色器件，其特征在于：还包括透光层，所述透光层覆盖于所述电解质层上表面。
4.根据权利要求3所述的电致变色器件，其特征在于：还包括封装层，所述封装层填充于变色层和电解质层的侧边、且位于所述透光层和所述透明电极层之间的相对空隙中。
5.根据权利要求4所述的电致变色器件，其特征在于：还包括气体保护层，所述气体保护层填充在所述透光层、电解质层和封装层所形成的封闭空隙中。
6.根据权利要求5所述的电致变色器件，其特征在于：所述气体保护层填充的气体为惰性气体。
7.一种电致变色器件的制造方法，其特征在于：所述电致变色器件为权利要求1-6任一项所述的电致变色器件，所述制造方法包括以下步骤：
S1：在透明电极层的上表面形成变色层、及与所述变色层不接触的两个电极，所述变色层具有缺陷态结构且含有可迁移电子；所述变色层为缺氧态三氧化钨薄膜；通过热蒸发三氧化钨粉末，在所述透明电极层上沉积形成所述缺氧态三氧化钨薄膜；
S2：在所述变色层的上表面涂覆含有变色阳离子的电解质层，所述电解质层与所述变色层之间的接触面形成离子迁移界面，且所述电解质层与所述电极不接触。
8.根据权利要求7所述的电致变色器件的制造方法，其特征在于：还包括步骤S3，在所述电解质层的上表面覆盖透光层。
9.根据权利要求8所述的电致变色器件的制造方法，其特征在于：还包括步骤S4，将步骤S3所获得的器件放置在保护气体的空间中，使保护气体充满在透光层与电解质层之间。
10.根据权利要求9所述的电致变色器件的制造方法，其特征在于：还包括步骤S5，在保护气体的氛围中，在所述变色层和所述电解质层的侧边、及所述透光层和所述透明电极层之间的相对空隙中填充封装层。
11.根据权利要求10所述的电致变色器件的制造方法，其特征在于：还包括步骤S6，通过一外接电源连通所述透明电极层上的电极，以提供横向工作电压。
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