CN116339025A - 透明电致变红外发射率器件在智能节能建筑中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公布一种透明电致变红外发射率器件在智能节能建筑中的应用，将透明电致变红外发射率器件应用于智能窗户和智能屋顶中，将透明电致变红外发射率器件与电致变色器件组合得到智能窗户，将透明电致变红外发射率器件和太阳光谱反射调节器件组合使用得到智能屋顶。本发明利用透明电致变红外发射率器件调控红外波段，同时保持可见光透明，不影响电致变色器件和太阳光谱反射调节器件实现可见光波段的调控，通过透明电致变红外发射率器件与上述两个器件的结合，制备得到可见光‑红外多谱段可调的智能建筑。
Description
技术领域
本发明属于智能节能建筑技术领域，尤其涉及一种透明电致变红外发射率器件在智能节能建筑中的应用。
背景技术
随着科技的发展以及全世界对电致变色产业的大量投入，有关电致变色的产品不断地被制造研发，带来了极大的生产效益，这些产品包括可调节光透过率的智能窗户、智能屋顶、天窗、电致变显示器、电子标签以及电子纸等，其中电致变材料制备的智能窗和智能屋顶可广泛应用于建筑物中以减少能源的消耗，其作用机理为通过施加合适的电压用以调节智能窗和屋顶的光透过率，以减少室内的太阳光强度，进而减少室内温度，降低制冷设备的使用频率。因此大力发展电致变材料在建筑上的应用开发，对于能源保护及社会经济效益具有十分重要的意义。目前的智能窗户或智能屋顶都只能在可见光波段去调控可见光的透过率，而无法调控红外波段的发射率，而现有的能调控红外波段发射率的器件由于较低的光学透明度限制了其在建筑节能领域的应用，因此目前还没有透明的电致变红外发射率器件在智能建筑领域的应用。
发明内容
为了克服现有技术中的技术问题，本发明提供一种透明电致变红外发射率器件在智能节能建筑中的应用，将透明电致变红外发射率器件应用于智能窗户或智能屋顶领域时，透明电致变红外发射率器件可以在3～14μm中的红外大气窗口中实现对红外辐射功率的调制，而不干扰智能玻璃对可见光透射率的调节和屋顶材料对可见光吸收的调节。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案如下：
本发明提供一种透明电致变红外发射率器件在智能节能建筑中的应用。
作为一种可选的实施方式，在本发明提供的应用中，所述应用包括以下应用中的至少一种：
(1)透明电致变红外发射率器件在制备智能窗中的应用。
(2)透明电致变红外发射率器件在制备智能屋顶中的应用。
作为一种可选的实施方式，在本发明提供的应用中，所述电致变红外发射率器件由上至下依次包括可见光-红外透明基底层、变红外发射率功能层、红外高反层、电解质层、离子储存层和透明对电极层；所述变红外发射率功能层为掺杂氧化锌纳米晶，所述掺杂氧化锌纳米晶中的掺杂离子为三价金属离子，所述三价金属离子的掺杂量为0.1～10％。
本发明中制备的透明电致变红外发射率器件，其中各个膜层均为可见光透明材料。使用掺杂氧化锌纳米晶作为变红外发射率功能层，通过控制三价金属离子的掺杂量在0.1～10％，使三价金属离子掺杂的氧化锌纳米晶的局域表面等离子体共振(LSPR)吸收峰位于3～14μm红外波段。利用电化学注入和脱出电子，使LSPR吸收峰增强和减弱的方式，实现掺杂氧化锌纳米晶对红外发射率的调控。当施加负电时，电子注入掺杂氧化锌纳米晶层，LSPR吸收峰增强，器件表现出高红外发射率特性。当施加正电时，电子从掺杂氧化锌纳米晶层脱出，LSPR吸收峰减弱，掺杂氧化锌纳米晶层表现出高透过率，器件表现出低发射率状态，以此实现对红外发射率的调控。
作为一种可选的实施方式，在本发明提供的应用中，所述三价金属离子为铝离子、硼离子、镓离子或铟离子中的一种。
本发明中基于ZnO的n型半导体纳米晶，其掺杂剂通常包括硼离子(B3+)、铝离子(Al3+)、镓离子(Ga3+)和铟离子(In3+)，在3-14μm波段会产生LSPR吸收，进一步可以通过电化学调控基于ZnO的n型半导体纳米晶的LSPR吸收峰，从而实现红外发射率的调控。
作为一种可选的实施方式，在本发明提供的应用中，所述智能窗由透明电致变红外发射率器件和电致变色器件组成。
作为一种可选的实施方式，在本发明提供的应用中，所述电致变色器件包括但不限于WO3器件、TiO2器件、MoO3器件、VO2器件，所有能实现本发明中的电致变色器件均可。
作为一种可选的实施方式，在本发明提供的应用中，所述智能屋顶由透明电致变红外发射率器件和太阳光谱反射调节器件组成。
作为一种可选的实施方式，在本发明提供的应用中，所述太阳光谱反射调节器件由相对设置的阳极透明导电基底和阴极透明导电基底，以及设置于阳极透明导电基底与阴极透明导电基底之间的电解质组成。
在本发明中的黑/白器件中，阳极透明导电基底和阴极透明导电基底，通常选择具有较高透光率以及具有优越的导电性能的ITO玻璃，电解质不做过多限制，为现有技术中常用的电解质即可。
作为一种可选的实施方式，在本发明提供的应用中，所述可见光-红外透明基底层材料选自BaF2、CaF2聚丙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯或尼龙薄膜中的一种。
作为一种可选的实施方式，在本发明提供的应用中，所述红外高反层选自ITO薄膜、AZO薄膜或FTO薄膜中的一种。
作为一种可选的实施方式，在本发明提供的应用中，所述离子储存层选自Pt纳米晶层、AZO薄膜、NiO薄膜或V2O5薄膜中的一种。
本发明中设置离子储存层，材料可以选用Pt纳米晶层、AZO薄膜、NiO薄膜或V2O5薄膜，其作用在于平衡红外发射率调控过程中的电荷变化。
作为一种可选的实施方式，在本发明提供的应用中，所述透明对电极层的电阻值≤100Ω/sq。
作为一种可选的实施方式，在本发明提供的应用中，所述透明对电极层选自ITO玻璃、AZO玻璃、ITO柔性膜、AZO柔性膜、碳纳米管膜、金属网格玻璃或金属网格膜中的一种。
作为一种可选的实施方式，在本发明提供的应用中，电解质层不需要具体的限制，只要是电解质均可实现，具体使用过程中可以选择锂基电解质、钠基电解质。
作为一种可选的实施方式，在本发明提供的应用中，所述电致变红外发射率器件对3～5μm的红外波段的调控量为0.1～0.6。
作为一种可选的实施方式，在本发明提供的应用中，所述电致变红外发射率器件对8～14μm的红外发射率调控量为0.1～0.6。
作为一种可选的实施方式，在本发明提供的应用中，所述电致变红外发射率器件对可见光的透射率为84.7％。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明中将透明电致变红外发射率器件和电致变色器件组合使用得到智能窗户，透明电致变红外发射率器件调控红外波段，同时保持可见光透明，不影响下层电致变色器件实现可见光波段的调控。通过这两个器件的结合，可以实现可见光和红外波段的双波段调控。同时将透明电致变红外发射率器件和太阳光谱反射调节器件组合使用得到智能屋顶，透明电致变红外发射率器件调控红外波段，同时保持可见光透明，不影响下层太阳光谱反射调节器件实现可见光波段的调控。通过这两个器件的结合，制备得到可见光-红外多谱段可调的智能建筑屋顶。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1中智能窗户的结构示意图；
图2为实施例1中智能窗户的可见光和红外调节光谱结果；
图3为实施例1中智能窗户在不同模式下运行结果图；
图4为实施例2中智能屋顶的结构示意图；
图5为实施例2中智能屋顶的可见光和红外调节光谱结果；
图6为实施例2中智能屋顶在不同模式下运行结果图。
附图标记：
1、可见光-红外透明基底层；2、变红外发射率功能层；3、红外高反层；4、电解质层；5、离子储存层；6、透明对电极层；7、第一透明导电层；8、电致变色层；9、离子导电层；10、第二透明导电层；11、阳极透明导电基底；12、阴极透明导电基底；13、电解质。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例1
智能窗户(SES窗)由透明电致变红外发射率器件和电致变色器件组成，其中电致变色器件可以为WO3器件、TiO2器件、MoO3器件、VO2器件中的一种。
在本实施例中选择WO3器件进行具体说明，由其组成的智能窗户，结构示意图如图1所示。
透明电致变红外发射率器件由上至下依次包括可见光-红外透明基底层1、变红外发射率功能层2、红外高反层3、电解质层4、离子储存层5和透明对电极层6。WO3器件由上至下依次由第一透明导电层7、WO3薄膜层8、离子导电层9和第二透明导电层10组成。
在透明电致变红外发射率器件中，可见光-红外透明基底层选自BaF2、CaF2、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯或尼龙薄膜中的一种。
所述红外高反层选自ITO薄膜、AZO薄膜、FTO薄膜中的一种。
离子储存层在于平衡红外发射率调控过程中的电荷变化，材料选Pt纳米晶层、AZO薄膜、NiO薄膜、V2O5薄膜中的一种。
透明对电极层选自ITO玻璃、AZO玻璃、ITO柔性膜、AZO柔性膜、碳纳米管膜、金属网格玻璃或金属网格膜中的一种。
本发明中可见光-红外透明基底层1、红外高反层3以及透明对电极层6均选用透明材质，可以制备得到透明电致变红外发射率器件。
电解质层不需要具体的限制，只要是电解质均可实现，具体使用过程中可以选择锂基电解质、钠基电解质。
在WO3器件中，第一透明导电层和第二透明导电层选择ITO玻璃，离子导电层即电解质层，在本实施例中选择1mol双三氟甲磺酰亚胺锂的四乙二醇二甲醚溶液电解质。
2、智能窗户的制备
(1)铝掺氧化锌纳米晶溶液的制备
将乙酸锌(15.84mmol)和乙酰丙酮铝(0.16mmol)溶解在32mL油酸中(铝的掺杂量为1％)。在110℃下脱气1小时，然后加入16毫升油胺，在此温度下进一步脱气15分钟，得到金属前驱体。将过量的油醇(160mL)加入到一个250mL的三颈圆底烧瓶中，强烈的搅拌下加热到280℃，同时充入氮气，氮气流速为20升/小时，在氮气气氛下，使用注射泵缓慢加入45毫升(15mmol)的金属前驱体，注射速度为3毫升/分钟，反应1h得到纳米晶。利用甲苯/乙醇溶液清洗纳米晶后，将纳米晶分散在甲苯溶剂中，即得铝掺氧化锌纳米晶分散液。
制备得到的铝掺氧化锌纳米晶中Al元素的含量通过感应耦合等离子体光发射光谱仪(ICP-OES，Agilent 720ES)进行检测，实际测量后铝的掺杂量为0.97％。
(2)透明电致变红外发射率器件中上层半器件的制备
选择厚度为1mm的BaF2透明基底层材料，在BaF2基底上旋涂(1)中制备的铝掺氧化锌纳米晶分散液，旋涂速度为1000rpm，持续60s，随后为4000rpm，持续20s重复上述旋涂过程，至膜厚为1.1μm。BaF2/AZO纳米晶在250℃的氩气环境中加热30分钟。利用电子束蒸发镀膜机以1A/s的沉积速率将约330nm的ITO膜蒸发到样品上作为红外高反层，即工作电极。衬底温度设置为300℃，氧气流速为20sccm。用透明双面胶将0.1mm银导线粘贴在半器件的一边，压实，使银导线与ITO膜充分接触，保证良好的导电率。
(3)透明电致变红外发射率器件中下层半器件的制备
选择ITO玻璃作为透明对电极材料，将700nm的AZO纳米晶分散液，旋涂在对电极ITO玻璃上，作为离子存储层。将离子储存层的一边擦拭掉，露出ITO玻璃基底。用透明双面胶将0.1mm银导线与ITO玻璃基底紧密粘贴在一起，使银导线与ITO玻璃基底充分接触，保证良好的导电率。
(4)透明电致变红外发射率器件的制备
将上层半器件与下半层器件通过透明硅橡胶粘结，使用注射器将1mol双三氟甲磺酰亚胺锂的四乙二醇二甲醚溶液注入到中间，即得透明电致变红外发射率器件。
(5)ITO玻璃/WO3膜半器件的制备
选择ITO玻璃作为透明导电层，使用MSP-300BTI高真空四靶磁控溅射系统将约400nm WO3材料沉积在ITO玻璃上。沉积压力为1Pa，沉积功率为120W，沉积时间为700s，制备得到ITO玻璃/WO3膜半器件。
(6)WO3器件的制备
使用透明硅胶，0.1mm银丝为导线，将ITO玻璃/WO3膜半器件和ITO玻璃对电极半器件封装起来。使用注射器将1mol双三氟甲磺酰亚胺锂的四乙二醇二甲醚溶液作为电解质注入中间，即得WO3器件。
(7)将透明电致变红外发射率器件和WO3器件上下叠放在一起即得到可见光-红外多谱段可调的智能窗户。
3、性能检测
(1)智能窗户中可见光的光谱检测和红外发射率调控检测
检测过程如下：将透明电致变红外发射率器件和WO3器件上下叠放后，置于紫外可见光近红外分光光度计(UV-Vis-NIR)中，测试不同电压下智能窗户对可见光的调节能力。将透明电致变红外发射率器件和WO3器件上下叠放后，置于红外光谱仪的积分球下侧，测试不同电压下智能窗户对红外发射率的调节能力。智能窗户可见光和红外的不同模式可以分别通过光学相机和红外热像仪观测。
测试结果如图2所示，由于WO3器件(智能玻璃)和透明电致变红外发射率器件的独立调节能力，WO3器件和透明电致变红外发射率器件在不同电压下的光谱曲线可以组合成不同的模式。例如，冷却模式2(图3所示)由WO3器件的蓝色曲线和透明电致变红外发射率器件的高发射率曲线组成。左边(橙色)阴影区域是太阳光谱。右边(蓝色)阴影区域是红外大气窗口，由图2可知，智能窗户对3～5μm的红外波段的调控量为0.51，8～14μm的红外发射率调控量为0.42，对可见光的透过率为84.7％。
智能窗户可以在多种模式下运行，从制冷到供暖，同时满足各种采光要求，如图3所示。
实施例2
1、智能屋顶(SES屋顶)由透明电致变红外发射率器件和太阳光谱反射调节器件，在本实施例中，太阳光谱反射调节器件具体为黑/白器件，其组成的智能屋顶结构示意图如图4所示。
透明电致变红外发射率器件由上至下依次包括可见光-红外透明基底层1、变红外发射率功能层2、红外高反层3、电解质层4、离子储存层5和透明对电极层6。黑/白器件由相对设置的阳极透明导电基底11和阴极透明导电基底12，以及设置于阳极透明导电基底11与阴极透明导电基底12之间的电解质13组成。
在透明电致变红外发射率器件中，可见光-红外透明基底层选自BaF2、CaF2、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯或尼龙薄膜中的一种。
所述红外高反层选自ITO薄膜、AZO薄膜、FTO薄膜中的一种。
离子储存层在于平衡红外发射率调控过程中的电荷变化，材料选自Pt纳米晶层、AZO薄膜、NiO薄膜、V2O5薄膜中的一种。
透明对电极层选自ITO玻璃、AZO玻璃、ITO柔性膜、AZO柔性膜、碳纳米管膜、金属网格玻璃或金属网格膜中的一种。
本发明中可见光-红外透明基底层1、红外高反层3以及透明对电极层6均选用透明材质，可以制备得到透明电致变红外发射率器件。
电解质层不需要具体的限制，只要是电解质均可实现，具体使用过程中可以选择锂基电解质、钠基电解质。
在黑/白器件中，阳极透明导电基底和阴极透明导电基底选择ITO玻璃，电解质层在本实施例中选择1mol双三氟甲磺酰亚胺锂的四乙二醇二甲醚溶液电解质。
2、智能屋顶的制备
(1)铝掺氧化锌纳米晶溶液的制备
将乙酸锌(14.4mmol)和乙酰丙酮铝(1.6mmol)溶解在32mL油酸中(铝的掺杂量为10％)。在110℃下脱气1小时，然后加入16毫升油胺，在此温度下进一步脱气15分钟，得到金属前驱体。将过量的油醇(160mL)加入到一个250mL的三颈圆底烧瓶中，强烈的搅拌下加热到280℃，同时充入氮气，氮气流速为20升/小时，在氮气气氛下，使用注射泵缓慢加入45毫升(15mmol)的金属前驱体，注射速度为3毫升/分钟，反应1h得到纳米晶。利用甲苯/乙醇溶液清洗纳米晶后，将纳米晶分散在甲苯溶剂中，即得铝掺氧化锌纳米晶分散液。
制备得到的铝掺氧化锌纳米晶中Al元素的含量通过感应耦合等离子体光发射光谱仪(ICP-OES，Agilent 720ES)进行检测，实际测量后铝的掺杂量为5.79％。
(2)透明电致变红外发射率器件中上层半器件的制备
选择厚度为1mm的BaF2透明基底层材料，在BaF2基底上旋涂(1)中制备的铝掺氧化锌纳米晶分散液，旋涂速度为1000rpm，持续60s，随后为4000rpm，持续20s重复上述旋涂过程，至膜厚为1.1μm。BaF2/AZO纳米晶在250℃的氩气环境中加热30分钟。利用电子束蒸发镀膜机以1A/s的沉积速率将约330nm的ITO膜蒸发到样品上作为红外高反层，即工作电极。衬底温度设置为300℃，氧气流速为20sccm。用透明双面胶将0.1mm银导线粘贴在半器件的一边，压实，使银导线与ITO膜充分接触，保证良好的导电率。
(3)透明电致变红外发射率器件中下层半器件的制备
选择ITO玻璃作为透明对电极材料，将700nm的AZO纳米晶溶液，旋涂在对电极ITO玻璃上，作为离子存储层。将离子储存层的一边擦拭掉，露出ITO玻璃基底。用透明双面胶将0.1mm银导线与ITO玻璃基底紧密粘贴在一起，使银导线与ITO玻璃基底充分接触，保证良好的导电率。
(4)透明电致变红外发射率器件的制备
将上层半器件与下半层器件通过透明硅橡胶粘结，使用注射器将1mol双三氟甲磺酰亚胺锂的四乙二醇二甲醚溶液注入到中间，即得透明电致变红外发射率器件。
(5)黑/白器件的制备
使用透明硅胶，0.1mm银丝为导线，将ITO玻璃半器件和ITO玻璃对电极半器件封装起来。注入电解质。电解质组成为：10mL乙二醇基电解质含有100mM BiCl3(315mg)和500mM的溶液LiBr(434mg)。20wt％TiO2颗粒加入到10mL乙二醇基电解质的作为白色反射层。
(6)将透明电致变红外发射率器件和黑/白器件上下叠放在一起即得到可见光-红外多谱段可调的智能屋顶。
3、性能检测
(1)智能屋顶中可见光光谱检测和红外发射率调控检测
检测过程如下：将透明电致变红外发射率器件和白/黑器件上下叠放后，置于紫外可见光近红外分光光度计(UV-Vis-NIR)中，测试不同电压下智能屋顶对可见光的调节能力。将透明电致变红外发射率器件和白/黑器件上下叠放后，置于红外光谱仪的积分球下侧，测试不同电压下智能屋顶对红外发射率的调节能力。智能屋顶可见光和红外的不同模式可以分别通过光学相机和红外热像仪观测。
调节光谱如图5所示，由于白/黑器件和透明电致变红外发射率器件(TDIE调节器)的独立调节能力，白/黑设备和透明电致变红外发射率器件在不同电压下的光谱曲线可以组合成不同的模式。例如，冷却模式2(图5所示)由白/黑设备的高反射率曲线和透明电致变红外发射率器件的高发射率曲线组成。左边(橙色)阴影区域是太阳光谱。右边(蓝色)阴影区域是红外大气窗口。由图5可知，智能屋顶对3～5μm的红外波段的调控量为0.51，8～14μm的红外发射率调控量为0.42，对可见光的透过率为73.7％。
智能屋顶可以在多种模式下运行，从制冷到供暖，如图6所示。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只限于这些说明。对于本发明所属领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种透明电致变红外发射率器件在智能节能建筑中的应用。
2.根据权利要求1所述的透明电致变红外发射率器件在智能节能建筑中的应用，其特征在于，所述应用包括以下应用中的至少一种：
(1)透明电致变红外发射率器件在制备智能窗中的应用；
(2)透明电致变红外发射率器件在制备智能屋顶中的应用。
3.根据权利要求1或2所述的透明电致变红外发射率器件在智能节能建筑中的应用，其特征在于，所述电致变红外发射率器件由上至下依次包括可见光-红外透明基底层、变红外发射率功能层、红外高反层、电解质层、离子储存层和透明对电极层；所述变红外发射率功能层为掺杂氧化锌纳米晶，所述掺杂氧化锌纳米晶中的掺杂离子为三价金属离子，所述三价金属离子的掺杂量为0.1～10％。
4.根据权利要求3所述的透明电致变红外发射率器件在智能节能建筑中的应用，其特征在于，所述三价金属离子为铝离子、硼离子、镓离子或铟离子中的一种。
5.根据权利要求2所述的透明电致变红外发射率器件在智能节能建筑中的应用，其特征在于，所述智能窗由透明电致变红外发射率器件和电致变色器件组成。
6.根据权利要求2所述的透明电致变红外发射率器件在智能节能建筑中的应用，其特征在于，所述智能屋顶由透明电致变红外发射率器件和太阳光谱反射调节器件组成，所述太阳光谱反射调节器件由相对设置的阳极透明导电基底和阴极透明导电基底，以及设置于阳极透明导电基底与阴极透明导电基底之间的电解质组成。
7.根据权利要求3所述的透明电致变红外发射率器件在智能节能建筑中的应用，其特征在于，所述可见光-红外透明基底层材料选自BaF2、CaF2、聚丙烯薄膜、聚四氟乙烯、聚乙烯或尼龙中的一种。
8.根据权利要求3所述的透明电致变红外发射率器件在智能节能建筑中的应用，其特征在于，所述红外高反层选自ITO薄膜、AZO薄膜或FTO薄膜中的一种。
9.根据权利要求3所述的透明电致变红外发射率器件在智能节能建筑中的应用，其特征在于，所述离子储存层选自Pt纳米晶层、AZO薄膜、NiO薄膜或V2O5薄膜中的一种。
10.根据权利要求3所述的透明电致变红外发射率器件在智能节能建筑中的应用，其特征在于，所述透明对电极层选自ITO玻璃、AZO玻璃、ITO柔性膜、AZO柔性膜、碳纳米管膜、金属网格玻璃或金属网格膜中的一种。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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