CN116300237A - 一种基于复合电极的大尺寸电致变色器件及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请属于电致变色器件领域，为解决现有电致变色器件在制备大尺寸器件时透明导电层的电阻急剧增加而引起的器件的着色和褪色响应时间长、颜色不均匀问题，提出一种基于复合电极的大尺寸电致变色器件及制备方法，该器件由顶衬底层、上透明导电层、电致变色层、下透明导电层、下衬底层层叠而成，其中所述的上透明导电层和/或下透明导电层由金属网格与导电薄膜复合而成。使用金属网格与导电薄膜复合结构作为电致变色器件中的复合电极可以很大程度上降低导电层结构的电阻，进而提升电致变色的性能；具有大尺寸稳定性好、电阻小、导电性好、光学透过率高的优势。
Description
技术领域
本申请属于电致变色领域，具体涉及一种电致变色器件及制备方法。
背景技术
现有的建筑物外墙玻璃以及汽车玻璃都不能主动调节太阳光的入射强度，需要窗帘以及贴膜来阻挡强烈的阳光辐射。而电致变色器件可以通过外加电压改变玻璃自身的光学透过率，进而主动调控进入内部的太阳光的强度，外观上看起来器件在透明以及有颜色状态之间可逆的切换。电致变色器件的内部结构一般包括五个部分：上透明导电层、离子存储层、电解质层、电致变色层、下透明导电层，其中电致变色材料主要分为无机和有机电致变色材料，无机材料有氧化钨、氧化镍、五氧化二钒、氧化钼等，有机材料包括紫精化合物、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等；电介质层根据所用溶剂的不同主要分为了无机和有机电解质两种，根据物理状态又可以分为液态电解质、固态电解质和凝胶态电解质；离子存储层主要为一些可以吸收电子的薄膜，如对苯醌、二氧化锰、二氧化钛等。
对于现有采用了单种导电材料作为透明导电层的技术，在制备大尺寸电致变色器件时，受限于导电层薄膜在大尺寸上的电阻急剧增加，进而引起变色器件的着色和褪色响应时间长、颜色不均匀等问题。
发明内容
为解决现有电致变色器件在制备大尺寸器件时透明导电层的电阻急剧增加而引起的器件的着色和褪色响应时间长、颜色不均匀问题，本申请提出如下技术方案。
一种基于复合电极的大尺寸电致变色器件，由顶衬底层、上透明导电层、电致变色层、下透明导电层、下衬底层层叠而成，其中所述的上透明导电层和/或下透明导电层由金属网格与导电薄膜复合而成。
本申请的工作原理为：
上透明导电层作为电致变色器件的上电极，下透明导电层作为电致变色器件的下电极，在外加电压下电致变色层发生氧化还原反应，外观上表现为颜色和光学透过率的变化；本申请中使用金属网格与导电薄膜共同组成复合电极，很大程度上提高了导电薄膜的导电性。复合电极中金属网格与金属氧化物薄膜的电阻为并联结构，根据欧姆定律可得复合电极的电阻R＝R1xR2/(R1+R2)，其中R1为金属网格电阻，R2为金属氧化物薄膜的电阻，因此复合电极的电阻明显小于只有金属网格电极或者只有导电薄膜的电阻，尤其在大尺寸电致变色器件结构上提升更为明显。复合电极的电阻大小将直接影响电致变色器件的反应速率，进而影响器件的光学对比度、响应速度等性能。
优选的，金属网格采用的材质包括：镁、铝、铁、铜、锌、银、金、镍、钨、锰之一，导电薄膜采用的材质包括：镁氧化物、铝氧化物、铁氧化物、铜氧化物、锌氧化物、银氧化物、金氧化物、镍氧化物、钨氧化物、锰氧化物、ITO、FTO之一。
更进一步的，金属网格由网格单元周期性排列而成，网格单元形状为多边形，网格单元的周期为100nm-10mm，金属网格的线宽和深度范围为100nm-10mm。
有益效果为：使用金属网格与导电薄膜复合结构作为电致变色器件中的复合电极可以很大程度上降低导电层结构的电阻，进而提升电致变色的性能；具有大尺寸稳定性好、电阻小、导电性好、光学透过率高的优势。
附图说明
图1为实施例一中基于复合电极的大尺寸电致变色器件结构示意图；
图2为实施例二中基于复合电极的大尺寸电致变色器件结构示意图；
图3为实施例二中另一基于复合电极的大尺寸电致变色器件结构示意图；
图4为施例三中基于复合电极的大尺寸电致变色器件结构示意图；
图5为施例四中基于复合电极的大尺寸电致变色器件结构示意图；
图6为施例四中另一基于复合电极的大尺寸电致变色器件结构示意图；
图7为六边形金属网格俯视图；
图8为六边形金属网格立体图；
图9为矩形栅格金属网格俯视图；
图10为复合电极金属网格与导电薄膜位置有关系示意图；
其中：1为顶衬底层，2为上透明导电层，201为上金属网格，202为上导电薄膜，3为电致变色层，4为下透明导电层，401为下金属网格，402为下导电薄膜，5为下衬底层，6为电解质层，7为离子存储层，8为金属网格，9为导电薄膜。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请做进一步地详细描述。以下术语例如“上透明导电层”“下透明导电层”等中的“上”“下”仅用于描述目的，用于区分不同位置的透明导电层；而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本申请的描述中，除非另有说明，“若干个”的含义是两个或两个以上。
实施例一
如图1所示，一种基于复合电极的大尺寸电致变色器件，由顶衬底层1、上透明导电层2、电致变色层3、下透明导电层4、下衬底层5层叠而成，其中所述的下透明导电层由下金属网格401与下导电薄膜402复合而成，下金属网格401与下导电薄膜402共同组成下复合电极。
更为详尽的，本申请中下金属网格401向上嵌入电致变色层3中，下金属网格401向下嵌入下衬底层5中。因为金属氧化物薄膜均匀嵌入金属网格内部，可以组合成稳定的复合电极结构，该结构适用于惰性金属电极材料，避免了活性金属与电致变色材料发生反应。
实施例二
实施例一基础上的一种基于复合电极的大尺寸电致变色器件，如图2所示，在电致变色层3与上透明导电层2之间还设置电解质层6。对于一些不能溶解于溶剂中的电致变色材料需要额外地提供电解质层，在外加电压下，用来提供定向移动的正负离子，组合成闭合回路。
更进一步地，如图3所示，在电解质层6与上透明导电层2之间还设置离子存储层7。离子存储层可以吸收电致变色材料发生氧化还原反应产生的电子，从而与变色层组成对称式电容结构，可以让器件保持双稳态。
作为一个具体应用实例，在1.5米乘2米尺寸的具有周期性四边形的微沟槽玻璃下衬底一端涂敷导电铜浆，四边形的微沟槽周期为500微米，线宽为10微米，沟槽深度为10微米，通过刮涂将铜浆填充到微沟槽内，然后置于热板上高温烧结使铜浆固化，从而形成金属网格；在下衬底的金属网格上采用磁控溅射的方法溅射一层FTO导电薄膜，再通过热蒸发的方法在FTO导电薄膜表面沉积一层氧化钼薄膜做为电致变色层；在另一片与下衬底规格相同的顶衬底表面溅射了FTO导电薄膜，在顶衬底的FTO导电薄膜表面通过热蒸发沉积一层二氧化锰做为离子存储层，然后将凝胶电解质注入两层结构之间，最后用封框胶将结构四周密封，到此器件制备完成。
实施例三
如图4所示，一种基于复合电极的大尺寸电致变色器件，由顶衬底层1、上透明导电层、电致变色层3、下透明导电层、下衬底层5层叠而成，其中所述的上透明导电层由上金属网格201与上导电薄膜202复合而成，上金属网格201与上导电薄膜202共同组成上复合电极；下透明导电层由下金属网格401与下导电薄膜402复合而成，下金属网格401与下导电薄膜402共同组成下复合电极。上、下都采用复合电极可以最大程度上提高器件的导电性，从而提高器件的性能。
更为详尽的，本申请中下金属网格401向上嵌入电致变色层3中，下金属网格401向下嵌入下衬底层5中；
上金属网格201向上嵌入顶衬底层1中，上金属网格201向下嵌入电致变色层3中。
实施例四
实施例三基础上的一种基于复合电极的大尺寸电致变色器件，如图5所示，在电致变色层3上透明导电层之间还设置电解质层6，上金属网格201向上嵌入顶衬底层1中，上金属网格201向下嵌入电解质层6中。
更进一步地，如图6所示，在电解质层6与上透明导电层之间还设置离子存储层7，上金属网格201向上嵌入顶衬底层1中，上金属网格201向下嵌入离子存储层7中。
实施例五
本申请的一种基于复合电极的大尺寸电致变色器件，金属网格由网格单元周期性排列而成，网格单元形状为多边形。作为一个具体实例，金属网格中的网格单元形状设置为如图7所示的六边形，图8为该六边形金属网格立体图；
网格单元各边具有不同的线宽。作为一个具体实例，金属网格设置为如图9所示的矩形栅格，矩形栅格中存在不同的线宽的边。金属线条的宽度越大导电性越好，但出于美观和可透过性考虑，提出了这种采用少量的加粗金属线条的方法来一定程度提高整体的导电性，又不损失外观和透过性。
金属网格及导电薄膜组成的复合电极分布于衬底表面，所述的衬底为刚性或柔性。
如图10所示，金属网格8与导电薄膜9的位置关系包括：(a)导电薄膜位于金属网格的中部、(b)导电薄膜位于金属网格的上方、(c)导电薄膜与金属网格上表面平齐、(d)导电薄膜位于金属网格的底部之一。根据采用变色材料的不同已经金属网格电极材料的特性采取适合的结构，对于不活泼的金属而言，变色材料可以与金属网格直接接触采用(a)结构，该结构因为金属导电薄膜位于网格内部，从而具有更稳定的物理结构。对于活泼金属而言，避免电致变色材料与金属网格直接接触发生化学反应而采用(b)结构。对于一些器件采用刮涂的制备工艺，对复合电极表面的平整度有要求，因此采用(c)结构，保证了刮涂过程中成膜的均匀性。
实施例六
一种基于复合电极的大尺寸电致变色器件的制备方法，包括以下步骤：
Sa1.通过电化学沉积、刮涂、卷对卷压印之一在下衬底层上制备一层金属网格；
Sa2.采用沉积技术在金属网格上制备一层导电薄膜，从而组合成复合电极；
Sa3.在复合电极表面制备一层电致变色层；
Sa4.在电致变色层表面沉积上透明导电层；
Sa5.使用顶衬底层封装于上透明导电层表面，从而组成电致变色器件。
实施例七
一种基于复合电极的大尺寸电致变色器件的制备方法，其特征在于：
Sb1.通过电化学沉积、刮涂、卷对卷压印之一在下衬底层上制备一层金属网格；
Sb2.采用沉积技术在金属网格上制备一层导电薄膜，从而组合成复合电极；采用沉积技术在顶衬底层表面制备上透明导电层；
Sb3.在复合电极表面制备一层电致变色层；
Sb4.将上透明导电层与电致变色层之间填充电解质材料并封装，从而组成电致变色器件。
实施例八
一种基于复合电极的大尺寸电致变色器件的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
Sc1.通过电化学沉积、刮涂、卷对卷压印之一在下衬底层上制备一层金属网格；
Sc2.采用沉积技术在金属网格上制备一层导电薄膜，从而组合成复合电极；采用沉积技术在顶衬底层表面制备上透明导电层；
Sc3.在复合电极表面制备一层电致变色层；在上透明导电层表面制备一层离子存储层；
Sc4.将离子存储层与电致变色层之间填充电解质材料并封装，从而组成电致变色器件。
实施例九
一种基于复合电极的大尺寸电致变色器件的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
Sd1.通过电化学沉积、刮涂、卷对卷压印之一分别在下衬底层及顶衬底层上各制备一层金属网格；
Sd2.采用沉积技术分别在下衬底层及顶衬底层的金属网格上制备一层导电薄膜；
Sd3.在下衬底层的导电薄膜表面制备一层电致变色层；在顶衬底层的导电薄膜表面制备一层离子存储层；
Sd4.将离子存储层与电致变色层之间填充电解质材料并封装，从而组成电致变色器件。
具体地，Sd1中利用卷对卷压印的方法将金属网格电极分别压印到下衬底层及顶衬底层中；Sd2中利用磁控溅射的方法在金属网格表面沉积一层导电薄膜；Sd3中利用卷对卷技术在下衬底层的导电薄膜表面制备一层一层电致变色层，利用卷对卷技术在顶衬底层的导电薄膜表面涂覆一层离子存储层；Sd4中在离子存储层与电致变色层之间填充一层电解质层，密封之后电致变色器件制备完成。
作为一个具体应用实例，在1米乘1米尺寸的具有周期性六边形的微沟槽的PET下衬底一端涂敷导电银浆，六边形的微沟槽周期为200微米，线宽为5微米，沟槽深度为5微米，通过刮涂将银浆填充到微沟槽内，然后置于热板上高温烧结使银浆固化从而形成金属网格；接着在下衬底的金属网格上采用磁控溅射的方法依次沉积一层ITO导电薄膜，以及一层氧化钨薄膜做为电致变色层；在另一片与下衬底规格相同的顶衬底一端涂敷导电银浆通过刮涂将银浆填充到微沟槽内，然后置于热板上高温烧结使银浆固化从而形成金属网格，在顶衬底的金属网格上采用磁控溅射的方法依次沉积一层ITO导电薄膜，以及一层二氧化钛薄膜做为离子存储层，然后将水系电解质注入离子存储层与电致变色层之间，最后用封框胶密封。
作为一个具体应用实例，在1.5米乘2米尺寸的具有周期性四边形的微沟槽玻璃下衬底一端涂敷导电铜浆，四边形的微沟槽周期为500微米，线宽为10微米，沟槽深度为10微米，通过刮涂将铜浆填充到微沟槽内，然后置于热板上高温烧结使铜浆固化从而形成金属网格；接着在下衬底的金属网格上采用热蒸发的方法沉积一层FTO导电薄膜，以及氧化钼薄膜做为电致变色层，在另一片与下衬底规格相同的顶衬底一端涂敷导电铜浆通过刮涂将铜浆填充到微沟槽内，然后置于热板上高温烧结使铜浆固化从而形成金属网格，在顶衬底的金属网格上通过热蒸发沉积一层FTO导电薄膜，以及二氧化锰做为离子存储层，然后将凝胶电解质注入两层结构之间，最后用封框胶将结构四周密封，到此器件制备完成。
作为一个具体应用实例，在2.5米乘3米尺寸的ITO玻璃下衬底之上涂覆一层光刻胶，通过光刻显影制备出具有随机结构的微沟槽，然后在玻璃衬底一端涂敷导电铜浆，随机结构的微沟槽周期为100-500微米随机分布，线宽为20微米，沟槽深度为10微米，通过刮涂将铜浆填充到微沟槽内，然后置于高温环境中烧结使铜浆固化从而形成金属网格；去除光刻胶后，在下衬底的金属网格上采用涂布的工艺制备一层紫精化合物电致变色层，在另一片与下衬底规格相同的顶衬底表面固化铜浆后形成金属网格，在顶衬底的金属网格上通过热蒸发沉积一层氧化镍做为离子存储层，然后将有机系电解质注入两层结构之间，最后用封框胶将结构四周密封，到此器件制备完成。直接在ITO玻璃表面复合金属网格，ITO玻璃与金属网格可直接组成复合电极，由于ITO玻璃具有导电性因此可以代替导电薄膜，可以简化整个器件制备工艺。
作为一个具体应用实例，在1米乘1米尺寸的I TO下衬底表面涂覆一层光刻胶，通过光刻显影制备出具有六边形周期性结构的微沟槽，六边形周期性结构的微沟槽周期为200微米，线宽为5微米，沟槽深度为5微米，通过刮涂将银浆填充到微沟槽内，然后置于热板上高温烧结使银浆固化从而形成金属网格，去除光刻胶后，在下衬底的金属网格上采用磁控溅射的工艺在表现沉积一层氧化钨薄膜做为电致变色层；在另一片与下衬底规格相同的顶衬底表面固化银浆从而形成金属网格，在顶衬底的金属网格上沉积一层二氧化钛做为离子存储层，后将水系电解质注入两层结构之间，最后用封框胶将结构四周密封，到此器件制备完成。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于复合电极的大尺寸电致变色器件，其特征在于：由顶衬底层、上透明导电层、电致变色层、下透明导电层、下衬底层层叠而成，其中所述的上透明导电层和/或下透明导电层由金属网格与导电薄膜复合而成。
2.根据权利要求1所述的基于复合电极的大尺寸电致变色器件，其特征在于：所述金属网格采用的材质包括：镁、铝、铁、铜、锌、银、金、镍、钨、锰之一，导电薄膜采用的材质包括：镁氧化物、铝氧化物、铁氧化物、铜氧化物、锌氧化物、银氧化物、金氧化物、镍氧化物、钨氧化物、锰氧化物之一。
3.根据权利要求1所述的基于复合电极的大尺寸电致变色器件，其特征在于：所述金属网格中的网格单元形状为多边形，网格单元的周期为100nm-10mm，金属网格的线宽和深度范围为100nm-10mm。
4.根据权利要求1所述的基于复合电极的大尺寸电致变色器件，其特征在于：金属网格与导电薄膜的位置关系包括：导电薄膜位于金属网格的中部、导电薄膜位于金属网格的上方、导电薄膜与金属网格上表面平齐、导电薄膜位于金属网格的底部之一。
5.根据权利要求1所述的基于复合电极的大尺寸电致变色器件，其特征在于：所述电致变色层一侧表面设置电解质层。
6.根据权利要求5所述的基于复合电极的大尺寸电致变色器件，其特征在于：所述电解质层一侧表面设置离子存储层。
7.一种基于复合电极的大尺寸电致变色器件的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
Sa1.通过电化学沉积、刮涂、卷对卷压印之一在下衬底层上制备一层金属网格；
Sa2.采用沉积技术在金属网格上制备一层导电薄膜，从而组合成复合电极；
Sa3.在复合电极表面制备一层电致变色层；
Sa4.在电致变色层表面沉积上透明导电层；
Sa5.使用顶衬底层封装于上透明导电层表面，从而组成电致变色器件。
8.一种基于复合电极的大尺寸电致变色器件的制备方法，其特征在于：
Sb1.通过电化学沉积、刮涂、卷对卷压印之一在下衬底层上制备一层金属网格；
Sb2.采用沉积技术在金属网格上制备一层导电薄膜，从而组合成复合电极；采用沉积技术在顶衬底层表面制备上透明导电层；
Sb3.在复合电极表面制备一层电致变色层；
Sb4.将上透明导电层与电致变色层之间填充电解质材料并封装，从而组成电致变色器件。
9.一种基于复合电极的大尺寸电致变色器件的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
Sc1.通过电化学沉积、刮涂、卷对卷压印之一在下衬底层上制备一层金属网格；
Sc2.采用沉积技术在金属网格上制备一层导电薄膜，从而组合成复合电极；采用沉积技术在顶衬底层表面制备上透明导电层；
Sc3.在复合电极表面制备一层电致变色层；在上透明导电层表面制备一层离子存储层；
Sc4.将离子存储层与电致变色层之间填充电解质材料并封装，从而组成电致变色器件。
10.一种基于复合电极的大尺寸电致变色器件的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
Sd1.通过电化学沉积、刮涂、卷对卷压印之一分别在下衬底层及顶衬底层上各制备一层金属网格；
Sd2.采用沉积技术分别在下衬底层及顶衬底层的金属网格上制备一层导电薄膜；
Sd3.在下衬底层的导电薄膜表面制备一层电致变色层；在顶衬底层的导电薄膜表面制备一层离子存储层；
Sd4.将离子存储层与电致变色层之间填充电解质材料并封装，从而组成电致变色器件。
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