JP2020201339A - エレクトロクロミック素子およびスマートウィンドウ - Google Patents

Abstract

【課題】ナノ結晶層を備えたエレクトロクロミック素子において、赤外光に対する透明電極の透光性を高く維持しつつ、透明電極の腐食を防止する。【解決手段】エレクトロクロミック素子１００は、第１透明電極１と、第１透明電極１に対向するように配置された第２透明電極２と、第２透明電極２に対向するように第１透明電極１上に設けられ、ナノ結晶粒子を含むナノ結晶層３と、ナノ結晶層３と第２透明導電層２との間に設けられた電解質層４と、第１透明電極１とナノ結晶層３との間に設けられたｐ型半導体層８とを備える。ｐ型半導体層８の空隙率は、ナノ結晶層３の空隙率よりも低い。【選択図】図１

Description

本開示は、エレクトロクロミック素子およびスマートウィンドウに関する。

電圧の印加によりその光学的性質が可逆的に変化するエレクトロクロミック素子が知られている。エレクトロクロミック素子を用いた製品の１つとして、電気的に光透過率を制御することができるスマートウィンドウが挙げられる。

スマートウィンドウの一種として、赤外光の透過率を制御可能なタイプ（以下では「赤外タイプ」と呼ぶこともある。）が提案されている。特許文献１は、赤外タイプのスマートウィンドウに用いられるエレクトロクロミック素子を開示している。

特許文献１に開示されているエレクトロクロミック素子では、電圧の印加により光の透過スペクトルが変化するエレクトロクロミック層として、ナノ結晶層が設けられている。ここで、図６を参照しながら、特許文献１のエレクトロクロミック素子の構造を簡単に説明する。

図６に示すエレクトロクロミック素子９００は、第１基板９１１、第２基板９１２、第１透明電極９０１、第２透明電極９０２、ナノ結晶層９０３、電解液９０５、電源９０６、シール部９０７およびスペーサ９０８を備える。

第１基板９１１および第２基板９１２は、互いに対向するように設けられている。第１基板９１１および第２基板９１２のそれぞれは、透明である。

第１透明電極９０１は、第１基板９１１の第２基板９１２側の表面上に設けられている。第２透明電極９０２は、第２基板９１２の第１基板９１１側の表面上に設けられている。

ナノ結晶層９０３は、第１透明電極９０１上に設けられている。ナノ結晶層９０３は、粒径が数ｎｍ〜数十ｎｍのナノ結晶粒子を含んでいる。

電解液９０５は、シール部９０７によって包囲された領域に封入されており、ナノ結晶層９０３と第２透明電極９０２との間に位置している。電源９０６は、第１透明電極９０１および第２透明電極９０２に電気的に接続されており、第１透明電極９０１および第２透明電極９０２間に所定の電圧を印加し得る。

スペーサ９０８は、ナノ結晶層９０３と第２透明電極９０２との間に設けられており、電解液９０５が封入されている領域の高さを規定する。

エレクトロクロミック素子９００のナノ結晶層９０３は、局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）を利用してエレクトロクロミズムを発現する。

非特許文献１は、エレクトロクロミック材料として用いられる種々のナノ結晶を開示している。

国際公開第２０１７／１４１５２８号

Evan L. Runnerstrom et. al.， 「Nanostructured electrochromic smart windows: traditional materials and NIR-selective plasmonic nanocrystals」， Chem.Commun., 2014, 50, 10555-10572

図６に示したエレクトロクロミック素子９００のように、電解液が一対の透明電極で挟み込まれた構成を有するエレクトロクロミック素子では、電解質によって透明電極が腐食することがある。透明電極が腐食すると、透明電極の抵抗率が上昇し、所望の大きさの電圧が印加されなくなる。透明電極の腐食を防止するために、透明電極の材料として、耐腐食性の高い透明導電材料を用いることが考えられる。しかしながら、透明導電材料の耐腐食性と、赤外光に対する反射率とはトレードオフの関係にあるので、耐腐食性の高い透明導電材料を用いると、赤外光が透明電極で少なからず反射されてしまうおそれがある。

本開示は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ナノ結晶層を備えたエレクトロクロミック素子において、赤外光に対する透明電極の透光性を高く維持しつつ、透明電極の腐食を防止することにある。

本明細書は、以下の項目に記載のエレクトロクロミック素子およびスマートウィンドウを開示している。

［項目１］
第１透明電極と、
前記第１透明電極に対向するように配置された第２透明電極と、
前記第２透明電極に対向するように前記第１透明電極上に設けられ、ナノ結晶粒子を含むナノ結晶層と、
前記ナノ結晶層と前記第２透明導電層との間に設けられた電解質層と、
前記第１透明電極と前記ナノ結晶層との間に設けられたｐ型半導体層と、
を備え、
前記ｐ型半導体層の空隙率は、前記ナノ結晶層の空隙率よりも低い、エレクトロクロミック素子。

［項目２］
前記ｐ型半導体層の空隙率は、０％以上５％以下である項目１に記載のエレクトロクロミック素子。

［項目３］
前記ｐ型半導体層の厚さは、３ｎｍ以上３００ｎｍ以下である項目１または２に記載のエレクトロクロミック素子。

［項目４］
前記ナノ結晶層の空隙率は、２５％以上７０％以下である項目１から３のいずれかに記載のエレクトロクロミック素子。

［項目５］
前記ナノ結晶層の空隙率は、４０％以上６０％以下である項目１から３のいずれかに記載のエレクトロクロミック素子。

［項目６］
前記第２透明電極と前記電解質層との間に設けられたさらなるｐ型半導体層をさらに備える項目１から５のいずれかに記載のエレクトロクロミック素子。

［項目７］
項目１から６のいずれかに記載のエレクトロクロミック素子を備えたスマートウィンドウ。

本開示の実施形態によると、ナノ結晶層を備えたエレクトロクロミック素子において、赤外光に対する透明電極の透光性を高く維持しつつ、透明電極の腐食を防止することができる。

本開示の実施形態におけるエレクトロクロミック素子１００を模式的に示す断面図である。 本開示の実施形態における他のエレクトロクロミック素子２００を模式的に示す断面図である。 本開示の実施形態におけるスマートウィンドウ３００を模式的に示すブロック図である。 スマートウィンドウ３００の調光部２０を模式的に示す断面図である。 スマートウィンドウ３００の調光部２０を模式的に示す平面図である。 スマートウィンドウ３００の調光部２０を模式的に示す断面図である。 スマートウィンドウ３００の調光部２０を模式的に示す平面図である。 特許文献１のエレクトロクロミック素子９００を模式的に示す断面図である。

以下、図面を参照しながら本開示の実施形態を説明する。なお、本開示の実施形態は、以下に例示する構成に限定されるものではない。

（実施形態１）
図１を参照しながら、本実施形態におけるエレクトロクロミック素子１００を説明する。図１は、エレクトロクロミック素子１００を模式的に示す断面図である。

エレクトロクロミック素子１００は、図１に示すように、第１透明電極１および第２透明電極２と、ナノ結晶層３と、電解質層４とを備える。

第１透明電極１および第２透明電極２は、互いに対向するように配置されている。第１透明電極１および第２透明電極２は、それぞれ透明であり、実質的に無色である。第１透明電極１および第２透明電極２は、電源５に電気的に接続されている。第１透明電極１は、第１基板１１に支持されている。第２透明電極２は、第２基板１２に支持されている。第１基板１１および第２基板１２は、それぞれ透明であり、実質的に無色である。

ナノ結晶層３は、第１透明電極１の第２透明電極２側に設けられている。つまり、ナノ結晶層３は、第２透明電極２に対向するように第１透明電極１上に設けられている。ナノ結晶層３は、ナノ結晶粒子を含む。

ナノ結晶粒子は、例えば１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の粒径を有する粒子状の結晶体である。ナノ結晶粒子は、後述するように、例えば金属酸化物から形成されている。

電解質層４は、ナノ結晶層３と第２透明電極２との間に設けられている。電解質層４は、シール部６によって包囲されている。電解質層４の厚さ（セルギャップ）は、ナノ結晶層３と第２透明電極２との間に位置するスペーサ７によって規定される。

ナノ結晶層３に含まれるナノ結晶粒子は、エレクトロクロミック材料である。そのため、ナノ結晶層３の透過スペクトルは、第１透明電極１と第２透明電極２との間に印加された電圧に応じて変化する。この透過スペクトルの変化は、近赤外領域における透過率変化を伴っている。従って、エレクトロクロミック素子１００は、近赤外光の透過率を制御することができる。本願明細書において、近赤外領域は、波長が約８００ｎｍ以上約２５００ｎｍ以下の範囲を指す。太陽から放射される赤外光の大部分は近赤外光であるので、近赤外光の透過率を制御することにより、太陽光による日射熱の取得率を制御することができる。例えば、夏期には近赤外光の室内への入射を防ぐことができ、冬期には近赤外光を室内に取り込むことができる。

ナノ結晶粒子としては、例えば、錫ドープ酸化インジウム（Tin doped Indium Oxide：ＩＴＯ）から形成されたナノ結晶粒子を好適に用いることができる。ナノ結晶層３がエレクトロクロミズムを示す原理については後述する。

なお、ナノ結晶層３の透過スペクトルの変化は、近赤外領域における透過率変化だけでなく、可視領域（約４００ｎｍ以上約８００ｎｍ以下の範囲）における透過率変化を伴っていてもよい。

本実施形態のエレクトロクロミック素子１００は、さらに、第１透明電極１とナノ結晶層３との間に設けられたｐ型半導体層８を備える。ｐ型半導体層８の空隙率は、ナノ結晶層３の空隙率よりも低い。ここで、ｐ型半導体層８の空隙率は、ｐ型半導体層８の内部に存在する空隙部分がｐ型半導体層８全体に占める体積割合であり、ナノ結晶層３の空隙率は、ナノ結晶層３の内部に存在する空隙部分がナノ結晶層３全体に占める体積割合である。ｐ型半導体層８およびナノ結晶層３の空隙率は、例えば、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）、ＳＴＥＭ（走査型透過電子顕微鏡）、Ｘ線ＣＴなどによって測定することができる。

上述したように、本実施形態のエレクトロクロミック素子１００では、ナノ結晶層３の空隙率よりも低い空隙率を有するｐ型半導体層８が、第１透明電極１とナノ結晶層３との間に設けられている。そのため、電解質層４に含まれる電解質の第１透明電極１側への浸透が、ｐ型半導体層８によって防止されるので、電解質に起因した第１透明電極１の腐食を防止することができ、サイクル特性が向上する。本実施形態によれば、第１透明電極１自体の耐腐食性を高くする必要がないので、赤外光に対する第１透明電極１の透光性を高く維持することができる。

後に詳述するように、ｐ型半導体層８の空隙率は、０％以上５％以下であることが好ましい。また、ナノ結晶層３の空隙率は、２５％以上７０％以下であることが好ましく、４０％以上６０％以下であることがより好ましい。

［ナノ結晶層の動作原理］
ここで、ナノ結晶層３がエレクトロクロミズムを示す原理を説明する。

非特許文献１に記載されているように、ＩＴＯナノ結晶層などの透明導電性酸化物（Transparent Conducting Oxide：ＴＣＯ）ナノ構造体に電子を注入することによって、近赤外領域の透過スペクトルを変化させ得ることが知られている。その原理は、端的に言えば、ＴＣＯナノ構造体の局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）による吸収波長を、電圧印加によってシフトさせることである。以下、より詳細に説明する。

ＬＳＰＲの共鳴周波数は、プラズマ周波数ω_pに比例する。プラズマ周波数ω_pは、下記式で表わされる。
ω_p ^２＝Ｎ・ｅ^２／（ｍ・ε_０）

ここで、Ｎは電子密度、ｅは電子の電荷、ｍは電子の有効質量、ε_０は真空の誘電率である。従って、ＴＣＯナノ構造体に負電圧を印加して電子密度を高くすると、プラズマ周波数ω_pが大きくなるので、ＬＳＰＲの共鳴周波数も大きくなる。そのため、ＬＳＰＲの共鳴波長は短くなる（つまり短波長側にシフトする）。ＴＣＯナノ構造体のキャリア密度を調整することにより、ＬＳＰＲの共鳴波長を近赤外領域に設定できるので、近赤外領域における透過スペクトルを変化させることが可能となる。

なお、このように透過スペクトルを変化させる機能は、ＩＴＯナノ結晶粒子を含むＩＴＯナノ結晶層だけに特有のものではない。ナノ結晶粒子が、ＬＳＰＲが生じるようなサイズ（例えば１００ｎｍ以下）であり、且つ、ナノ結晶層が透明電極からの電子を注入され得るような構成であれば、原理的には上述した機能を奏し得る。

なお、本願明細書では、第１透明電極１と第２透明電極２との間に印加される電圧を切り換えたときの、所定の波長（例えば２０００ｎｍ）の光に対するナノ結晶層３の透過率の差を、「動作シフト範囲」と呼ぶことがある。

続いて、エレクトロクロミック素子１００の各構成要素の具体例や好ましい構成を説明する。

［ナノ結晶層］
ナノ結晶粒子の材料として用いられる金属酸化物は、例示したＩＴＯに限定されるものではない。例えば、ＡＺＯ（Aluminum-doped Zinc Oxide：アルミニウムドープ酸化亜鉛）やＡＴＯ（Antimony-doped Tin Oxide：アンチモンドープ酸化錫）、ＧＺＯ（Gallium-doped Zinc Oxide：ガリウムドープ酸化亜鉛）等の可視領域においてほぼ透明な材料を用いることができる。また、Ｃｓ_ｘＷ_ｙＯ_３（ｘ、ｙは組成比を示す）で表されるような複合タングステン酸化物や六ホウ化ランタンなどのような、可視領域の光を吸収する材料を用いることもできる。

ナノ結晶粒子の平均粒径は、典型的には、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。ただし、ナノ結晶粒子の平均粒径が大きすぎると、動作しにくくなるおそれがあるので、動作のしやすさの観点からは、ナノ結晶粒子の平均粒径は、３０ｎｍ以下であることが好ましい。

ナノ結晶層３の厚さは、典型的には、５０ｎｍ以上５０００ｎｍ以下である。透過スペクトルの動作シフト範囲を十分に大きくする観点からは、ナノ結晶層３の厚さが５０ｎｍ以上であることが好ましい。また、プラズモン現象を起きやすくする観点、および、ナノ結晶層３の透光性を十分に確保する観点からは、ナノ結晶層３の厚さは、５０００ｎｍ以下であることが好ましい。ナノ結晶層３の厚さが５０００ｎｍ以下である場合、つまりナノ結晶層３がそれほど厚くない場合、ｐ型半導体層８が設けられていないと、電解質層４の電解質がナノ結晶層３を通過して第１透明電極１側に浸透しやすい。

ナノ結晶層３の空隙率は、ナノ結晶層３の実効的な表面積を大きくしてプラズモン現象を起きやすくする（動作シフト範囲を大きくする）観点からは、２５％以上であることが好ましく、４０％以上であることがより好ましい。ただし、ナノ結晶層３の空隙率が２５％以上（あるいは４０％以上）である場合、ｐ型半導体層８が設けられていないと、電解質がナノ結晶層３を通過して第１透明電極１側に浸透しやすい。

なお、密着性および信頼性の観点からは、ナノ結晶層３の空隙率は、７０％以下であることが好ましく、６０％以下であることがより好ましい。

ナノ結晶層３の形成方法に特に限定はない。ナノ結晶粒子が分散された液体または半固体を第１基板１１上に塗布し、焼成を行うことによって、ナノ結晶層３を形成することができる。ナノ結晶粒子の分散液をスピンコート法により塗布してもよいし、ビヒクルを適度に添加されたペーストを用いた印刷法により塗布してもよい。また、バーコート法、スリットコート法、グラビアコート法またはダイコート法により塗布を行ってもよい。焼成温度が、ナノ結晶表面にある有機成分が除去されて焼結が好適に生じる温度であれば、十分な耐溶剤性が得られる。ただし、焼成温度が高すぎ、焼結が過度に進むと、所望の波長のＬＳＰＲが得られないおそれがある。トルエンを分散媒とするＩＴＯナノ結晶粒子分散液を用いてスピンコート法によりナノ結晶層３を形成する場合、焼成は、例えば、１５０℃以上３００℃以下の温度で６０分間行われる。また、メチルイソブチルケトンを分散媒とするＡＴＯナノ結晶粒子分散液を用いてスピンコート法によりナノ結晶層３を形成する場合、焼成は、例えば、１５０℃以上３００℃以下の温度で５分間行われる。

また、ナノ結晶層３は、第１基板１１との結着性を向上させるために、バインダとして、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等の溶剤系バインダやスチレン・ブタジエンゴム等の水系バインダ、光硬化樹脂、熱硬化樹脂等を含んでもよい。

［ｐ型半導体層］
ｐ型半導体層８の材料としては、電子を伝導することができ、電解質に対する耐腐食性に優れた材料を用いることができる。具体的には、例えば、酸化アンチモン錫、酸化ニッケル、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化錫などの金属酸化物のｐ型半導体材料を好適に用いることができる。ｐ型半導体層８は、上述した金属酸化物の粒子を含み得るが、そのような構成に限定されるものではない。

第１透明電極１の腐食を防止する観点からは、ｐ型半導体層８の空隙率は、低いことが好ましく、具体的には、０％以上５％以下であることが好ましい。

また、ｐ型半導体層８の厚さが大きいほど、第１透明電極１の腐食を防止する効果が高くなるので、ｐ型半導体層８の厚さは、３ｎｍ以上であることが好ましい。ただし、ｐ型半導体層８の厚さが大きくなりすぎると、導電性が低下するおそれがあるので、ｐ型半導体層８の厚さは、３００ｎｍ以下であることが好ましい。

［電解質層］
電解質層４は、例えば電解液で構成される。電解液の電解質としては、イオン化しやすく、且つ、生じたイオンが印加電圧の範囲で酸化還元反応を起こしにくい、アニオンのイオン半径が０．２３ｎｍ以下の材料を好適に用いることができる。電解質として、具体的には、テトラフルオロホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ_４）、テトラフルオロホウ酸ナトリウム（ＮａＢＦ_４）、テトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート（Ｅｔ_４ＮＢＦ_４）、リチウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド（ＬｉＴＦＳＩ）等を用いることができる。

電解液の溶媒としては、炭酸エチレン（ＥＣ）、炭酸ジエチル（ＤＥＣ）、これらの混合物、炭酸プロピレン等を用いることができる。また、電解液は、ゲル化剤によりゲル化されていてもよい。ゲル化剤としては、例えば、ポリビニルブチラールを用いることができる。さらに、環状四級アンモニウムカチオンとイオン半径が０．２３ｎｍ以下のアニオンからなるイオン液体を用いてもよい。

［基板］
第１基板１１および第２基板１２としては、例えば、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）やＰＩ（ポリイミド）などの樹脂材料から形成されたプラスチック基板を用いることができる。プラスチック基板には、無機材料または有機材料から形成されたガスバリア層が設けられてもよい。また、任意の調光波長に対して透過率が高い無機材料から形成された基板（例えばガラス基板）を用いてもよい。

［透明電極］
第１透明電極１および第２透明電極２の材料としては、チタンドープ酸化インジウム（Titanium-doped Indium Oxide：ＩｎＴｉＯ）や、アナターゼ型二酸化チタンをシード層としたタンタル置換酸化スズ、キャリア密度および結晶化温度を調整したＩＴＯ等の、近赤外光を透過する材料を用いることができる。これらの材料を、スパッタ法や蒸着法、塗布法などにより第１基板１１および第２基板１２上に堆積することによって、第１透明電極１および第２透明電極２を形成することができる。

また、第１透明電極１および第２透明電極２の材料は、遠赤外光を反射する特性を有することが好ましい。冬期に室内の温度を高く保つためには、室内から屋外に赤外光が出ることを防ぐ必要がある。室内から輻射される赤外光は、波長が１０μｍ程度の、遠赤外光に分類されるものである。そのため、第１透明電極１および第２透明電極２が遠赤外光を反射する特性を有していると、近赤外光の透過率が高くなるようにナノ結晶層３の状態を制御しても、室内の熱は輻射熱として屋外に逃げない、理想的な状態を実現することができる。また、夏期に近赤外光の透過率が低くなるように制御したときも、屋外からの遠赤外光が室内に入ることを防止できるので、やはり理想的な状態を実現できる。

エレクトロクロミック素子１００が表示を目的としないものである場合、第１透明電極１の電極取り出し（外部配線への接続）は、１箇所で行われてもよいし、複数箇所で行われてもよい。１箇所の場合、エレクトロクロミック素子１００の組み立て工程が簡略化されるとともに配線の引き回しを簡素にすることができる。複数箇所の場合、第１透明電極１と第２透明電極２との間に抵抗成分がある、すなわち電流が流れるような場合にも部分的な応答速度の遅延を防ぐことができる。

第１透明電極１は、電気的に独立した複数のサブ電極に分割されていてもよい。第１透明電極１が複数のサブ電極に分割されていると、サブ電極に対応する領域ごとに透過スペクトルを変化させることができる。第２透明電極２は、第１透明電極１と同様、電気的に独立した複数のサブ電極に分割されていてもよいし、分割されていなくてもよい。

［スペーサ］
セルギャップを規定するスペーサ７は、散布、または、電解液中に分散させておくことにより、第１基板１１および第２基板１２間（より具体的にはナノ結晶層３と第２透明電極２との間）に配置される。スペーサ７は、例えば図示しているように球状（ビーズ状）であり、その直径は例えば約３０μｍである。スペーサ７は、固着性を有してもよい。スペーサ７が固着性を発現するための処理（熱処理等）が必要に応じて適宜行われる。スペーサ７の量に特に制限はないが、例えば、電解液に対して０．２ｗｔ％程度の量のスペーサ７が用いられる。

なお、液晶表示装置等では、セルギャップを規定するスペーサとして、感光性樹脂材料から形成された柱状のスペーサ（「フォトスペーサ」と呼ばれる）が用いられることが多い。エレクトロクロミック素子１００にフォトスペーサを用いてもよいが、フォトスペーサは、材料費が高く、また、露光工程や現像工程を行う必要があり工程数が増えてしまうので、製造コストの点では不利である。

［シール部］
シール部６の材料としては、例えばＵＶ硬化型の樹脂材料を用いることができる。シール部６は、異なる材料（シール材）から形成された２つの領域を有してもよい。相対的に内側に位置する領域（「内側領域」と呼ぶ）を、相対的に外側に位置する領域（「外側領域」と呼ぶ）を形成するシール材よりも耐溶剤性の高いシール材から形成し、外側領域を、内側領域を形成するシール材よりも接着力の強いシール材から形成すると、シール部６の高い信頼性および強い接着力を両立させることができる。

［製造方法］
エレクトロクロミック素子１００を製造する際、液晶パネルや色素増感型太陽電池等の製造に用いられる種々の方法・工程を用いることができる。第１基板１１および第２基板１２としてプラスチック基板（樹脂基板）を用いる場合には、ロール・ツー・ロール法によって貼り合せ工程を連続的に行うことができるので、製造コストを低減することが可能である。また、一連の工程を脱酸素乾燥雰囲気下で行うことにより、エレクトロクロミック素子１００の信頼性を向上させることができる。

（実施形態２）
図２を参照しながら、本実施形態におけるエレクトロクロミック素子２００を説明する。図２は、エレクトロクロミック素子２００を模式的に示す断面図である。以下では、エレクトロクロミック素子２００が実施形態１のエレクトロクロミック素子１００と異なる点を中心に説明を行う。

エレクトロクロミック素子２００は、図２に示すように、第２透明電極２と電解質層４との間に設けられたさらなるｐ型半導体層８’をさらに備える点において、実施形態１のエレクトロクロミック素子１００と異なる。以下では、第１透明電極１とナノ結晶層３との間に設けられたｐ型半導体層８を「第１のｐ型半導体層」と呼び、第２透明電極２と電解質層４との間に設けられたさらなるｐ型半導体層８’を「第２のｐ型半導体層」と呼ぶ。

エレクトロクロミック素子２００は、第２透明電極２と電解質層４との間に設けられた第２のｐ型半導体層９を備えているので、電解質に起因した第２透明電極２の腐食を防止することができる。そのため、サイクル特性のいっそうの向上を図ることができる。

第２のｐ型半導体層８’の空隙率は、第１のｐ型半導体層８の空隙率と同様に、ナノ結晶層３の空隙率よりも低いことが好ましく、０％以上５％以下であることがより好ましい。

また、第２のｐ型半導体層８’の厚さは、第１のｐ型半導体層８の厚さと同様に、３ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることが好ましい。

第２のｐ型半導体層８’の材料としては、第１のｐ型半導体層８の材料として例示したものを好適に用いることができる。

（実施形態３）
実施形態１および２のエレクトロクロミック素子１００および２００は、例えばスマートウィンドウ（調光窓）に好適に用いることができる。エレクトロクロミック素子１００および２００を、窓の透光板（ガラス板やアクリル板）に重ねて設置することにより、可視光域の透過率を保持したまま、室外からの近赤外域の透過スペクトルを切り替えて日射熱取得率を制御することができる。

以下、図３を参照しながら、本実施形態におけるスマートウィンドウ３００を説明する。図３は、スマートウィンドウ３００を模式的に示すブロック図である。

スマートウィンドウ３００は、図３に示すように、調光部２０、制御部３０、スイッチ部３２、通信部３４および電源部３６を備える。

調光部２０は、エレクトロクロミック素子を含む窓状の部分であり、いわばスマートウィンドウ３００の本体部である。調光部２０の具体的な構成については後に詳述する。

制御部３０は、スイッチ部３２または通信部３４から送信された信号に基づいて、調光部２０の動作を制御する。制御部３０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）や専用プロセッサ等の演算部と、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等の記憶部とを備えた回路基板である。

電源部３６は、制御部３０および調光部２０に電力を供給する電源回路である。電源部３６は、脱着可能な一次電池、二次電池等を含み得る。

スイッチ部３２は、ユーザによる入力を受け付ける。スイッチ部３２は、例えばユーザによって操作される切替えスイッチを含み、切替えスイッチの操作に応じた信号（操作入力信号）を制御部３０に送信する。

通信部３４は、外部の通信装置４０からの信号を受信する受信部を含んでいる。通信部３４は、通信装置４０と例えば無線通信により接続されている。無線通信としては、赤外線通信や、Ｗｉ−Ｆｉ（登録商標）、Ｚ―Ｗａｖｅ（登録商標）などを用いることができる。通信装置４０は、リモートコントローラ等の端末装置である。通信部３４と通信装置４０との間の通信は、通信装置４０から通信部３４に、調光部２０の制御に関する信号が一方的に送られる片方向通信であってもよいし、双方向通信であってもよい。双方向通信の場合、例えば、調光部２０のエラー信号を通信装置４０に送り、その内容を通信装置４０で表示可能とすることができる。双方向通信を行う場合、通信部３４は、受信部に加えて送信部を含む。

調光部２０の制御は、上述したように、スイッチ部３２や通信装置４０から手動で行うことができる。あるいは、調光部２０の状態を自動的および／または定期的に切り替えてもよい。例えば、スマートウィンドウ３００内にタイマ部（例えば時計）を設けることによって、スイッチ部３２や通信部３４を設けずに、調光部の状態を定期的に切り換えることができる。また、各地域の天気や気温に関するインターネット上の情報を利用して、近赤外光の室内への取り込みを制御してもよい。具体的には、例えば、スマートウィンドウ３００を設置する住所に対応する天気や気温の情報をサービスとして配信し、これを通信装置４０または直接通信部３４で受信して調光部２０の制御に利用することができる。また、インターネット上の情報を用いる代わりに、通信装置４０または通信部３４をＨＥＭＳ（Home Energy Management System）に接続し、温度センサ等との組み合わせで室内温度や屋外温度、消費電力等を管理して、調光部２０の動作に反映させてもよい。

続いて、図４Ａおよび図４Ｂを参照しながら、調光部２０の具体的な構成を説明する。以下では、調光部２０が実施形態１のエレクトロクロミック素子１００を含む場合を例示する。また、図４Ａでは、第１透明導電層１、ナノ結晶層３、電解質層４、第２透明導電層２の積層構造を１つの調光層９として示している。

調光部２０は、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、エレクトロクロミック素子１００と、ガラス板（透光板）２１と、グレージングチャンネル（「グレチャン」と呼ばれることもある）２２とを有する。

ガラス板２１は、例示しているように典型的には矩形状である。なお、ここでは透光板としてガラス板２１を例示しているが、透光板はこれに限定されるものでなく、透光性を有する板状の部材であればよい。例えば、透光板としてアクリル板を用いてもよい。

エレクトロクロミック素子１００は、接着層２３を介してガラス板２１に貼り合わされている。接着層２３は、糊剤、ＵＶ硬化樹脂等から形成される。エレクトロクロミック素子１００は、典型的には、ガラス板２１と略同じ外形を有している。図示している例では、エレクトロクロミック素子１００は、ガラス板２１の屋内側に配置されている。言い換えると、ガラス板２１はエレクトロクロミック素子１００の屋外側に配置されている。エレクトロクロミック素子１００は、上述した電源部３６に配線２４を介して電気的に接続されている。

グレージングチャンネル２２は、ガラス板２１の周縁部およびエレクトロクロミック素子１００の周縁部を囲む（挟む）ように配置されている。

ガラス板２１、エレクトロクロミック素子１００およびグレージングチャンネル２２は、框（図４Ａおよび図４Ｂでは不図示）によって支持される。図５Ａおよび図５Ｂに、框２８が配置された状態を示す。

図５Ａおよび図５Ｂに示すように、框２８は、ガラス板２１、エレクトロクロミック素子１００およびグレージングチャンネル２２を支持する枠状の支持体である。ガラス板、エレクトロクロミック素子１００およびグレージングチャンネル２２は、一体的に框２８に組み付けられている。グレージングチャンネル２２は、ガラス板２１およびエレクトロクロミック素子１００と、框２８との間に位置しており、ガラス板２１およびエレクトロクロミック素子１００と框２８との隙間を塞いで気密性および水密性を確保している。

スマートウィンドウ３００では、屋外からガラス板２１を介して屋内に入射する近赤外光の透過率をエレクトロクロミック素子１００で調節することにより、日射熱取得率を制御することができる。

ガラス板（透光板）２１の法線方向から見たとき、エレクトロクロミック素子１００のシール部７は、図４Ａおよび図５Ａに示すように、グレージングチャンネル２２からはみ出ないように配置される（つまりグレージングチャンネル２２に重なっている）ことが好ましい。これにより、シール部７が外部から見えなくなるので、スマートウィンドウ５００の意匠性を高くすることができる。

既に説明したように、エレクトロクロミック素子１００のナノ結晶層３の透過スペクトルは、印加電圧の変化に応じて変化する。ナノ結晶層３が、電解質層４とガラス板（透光板）２１との間に位置している（つまり、第１基板１１および第２基板１２のうち、第１基板１１が相対的に屋外側で第２基板１２が相対的に屋内側に位置している）ことが好ましい。これにより、太陽からの近赤外光を、電解質層４に入射する前に効率よく遮断することができるので、スマートウィンドウ３００の耐久性をいっそう向上させることができる。

なお、本開示の実施形態によるエレクトロクロミック素子は、窓ガラス以外のものに設置されてもよく、例えば、農業用のビニールハウスに設置されてもよい。

本開示の実施形態によると、ナノ結晶層を備えたエレクトロクロミック素子において、赤外光に対する透明電極の透光性を高く維持しつつ、透明電極の腐食を防止することができる。

１ 第１透明電極
２ 第２透明電極
３ ナノ結晶層
４ 電解液
５ 電源
６ シール部
７ スペーサ
８ ｐ型半導体層
８’ さらなるｐ型半導体層
１１ 第１基板
１２ 第２基板
２０ 調光部
２１ 透光板（ガラス板）
２２ グレージングチャンネル
２３ 接着層
２４ 配線
２８ 框
３０ 制御部
３２ スイッチ部
３４ 通信部
３６ 電源部
４０ 通信装置
１００、２００ エレクトロクロミック素子
３００ スマートウィンドウ

Claims (7)

1. 第１透明電極と、
   前記第１透明電極に対向するように配置された第２透明電極と、
   前記第２透明電極に対向するように前記第１透明電極上に設けられ、ナノ結晶粒子を含むナノ結晶層と、
   前記ナノ結晶層と前記第２透明導電層との間に設けられた電解質層と、
   前記第１透明電極と前記ナノ結晶層との間に設けられたｐ型半導体層と、
   を備え、
   前記ｐ型半導体層の空隙率は、前記ナノ結晶層の空隙率よりも低い、エレクトロクロミック素子。
2. 前記ｐ型半導体層の空隙率は、０％以上５％以下である請求項１に記載のエレクトロクロミック素子。
3. 前記ｐ型半導体層の厚さは、３ｎｍ以上３００ｎｍ以下である請求項１または２に記載のエレクトロクロミック素子。
4. 前記ナノ結晶層の空隙率は、２５％以上７０％以下である請求項１から３のいずれかに記載のエレクトロクロミック素子。
5. 前記ナノ結晶層の空隙率は、４０％以上６０％以下である請求項１から３のいずれかに記載のエレクトロクロミック素子。
6. 前記第２透明電極と前記電解質層との間に設けられたさらなるｐ型半導体層をさらに備える請求項１から５のいずれかに記載のエレクトロクロミック素子。
7. 請求項１から６のいずれかに記載のエレクトロクロミック素子を備えたスマートウィンドウ。

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