TWI550331B - 一種全固態電致變色元件的製造方法 - Google Patents

一種全固態電致變色元件的製造方法 Download PDF

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一種全固態電致變色元件的製造方法
本發明係有關一種全固態電致變色元件的製造方法，尤指一種改善全固態電致變色元件持色效能之方法，應用此結構可以使元件持色效能提升，並能避免元件發生短路，提升元件壽命。
近年來全球溫室效應嚴重，如何善用太陽能並減少日照產生的熱效應是世界各國主要節能政策之一。現代建築上，玻璃窗已被廣泛應用，當大量應用於建築物及交通工具時會產生高熱，如何避免此缺點是節能的重點之一，主要方式為採用塗佈特殊膜層的玻璃或是結合特殊膜層使可以自由操控光學亮暗特性，此裝置稱為智慧窗(Smart Window)，可達到節省能源、調節光線和熱輻射的目的。根據國際知名研調公司nanomarket 2013年的統計，全球智慧窗市場於2020年將有56億美元的規模。此外，電致變色元件未來更具有許多新穎應用的可能，如節能型電子標籤及顯示應用、室內小電量儲能應用之電量顯示電池以及應用於輕薄型智慧裝置之相機光圈等相關應用。
近代發展上，已有多種金屬元素的電致變色特性被廣泛研究，目前較廣為採用的是氧化鎢，還原態時材料呈現上色狀態，氧化鎳剛好相反，氧化態時為上色狀態，這兩種材料再搭配上離子傳導層便可組成互補式電致變色元件，具較高的著色效率。
製備EC薄膜的方式很多種，所得到的薄膜型態及微結構亦不盡相同，不同的製程條件也會有不同的特性差異，使用濺鍍方式的優點是可以得到具有良好附著性及均勻性的薄膜，製程參數容易調整，以及易達到連續化製作，相較濕式製程，亦可延長元件壽命，因此這是目前被廣為利用的方法。
目前多數的電致變色元件(ECD)製作技術多是利用單層或多層變色層貼合的方式，於元件中間夾入含有離子的液態電解質溶液或有機固態電解質層來達到變色目的。然而不論是酸性或中性電解質均易造成變色層溶解於其中，縮短元件效能及壽命，而採液態電解質的製造方式不但較為繁雜，經多次操作後亦可能有漏液、裂解等問題產生。因此若欲達商業化目的，改以氧化鉭薄膜取代液態或有機電解質做為離子傳導層為一必然趨勢，製作成無機固態元件可避免元件損壞問題產生，進而延長元件壽命，亦有較高的變色效率及反應速度。
然而，採用此固態電解質的方式亦有其缺點存在，為了讓控制變色的離子能自由進出變色膜層，離子傳導層一般會做得較為疏鬆而富有孔洞，但此時可能導致另一個問題發生。由於離子傳導層本身必須同時兼具電子阻擋層功效，使注入電子能停留在該變色膜層內以吸引離子進入該膜層進而發生變色，此時若離子傳導層阻擋電子的能力不佳，所注入的電子便能輕易穿過離子傳導層而到達另外一層，輕則元件上色後無法維持上色狀態，重則造成元件無法變色以及短路的現象。根據國外期刊研究，若電致變色元件之漏電流密度達0.04~0.16mA/cm2，其持色能力在60分鐘內將能達到8~20%的穿透度變化，也因此在這兩個特性的平衡取捨上將顯得格外 難以拿捏其適當。
基於解決以上所述習知技藝的缺失，本發明為一種全固態電致變色元件的製造方法，其主要目的為提供一種改善全固態電致變色元件持色效能之製程方式，增加元件維持上色時間。
本發明之另一目的在於針對固態離子傳導層特性做一補強，不因顧及離子傳導特性而使元件漏電流過大，或是刻意為了達到低漏電流採用高緻密性薄膜而使離子不易或無法傳導通過，造成元件無效的窘境，能同時兼顧離子傳導層此兩種性質。
本發明之另一目的在於設置一電子阻擋層減低電子穿透元件能力後，可使元件良率及壽命提升。
為達上述目的，本發明為一種全固態電致變色元件的製造方法，其係包括有下列步驟：以濺鍍方式沉積一透明導電金屬薄膜於一玻璃基板，以形成一第一金屬電極；於該第一金屬電極上以濺鍍方式沉積一氧化鎳薄膜；於該氧化鎳上以濺鍍方式沉積一氧化鉭薄膜；以電化學方式於該氧化鎳薄膜中注入一鋰離子；以濺鍍或電漿方式輔以化學氣相沉積方式於該氧化鉭薄膜上沉積一電子阻擋層；於該電子阻擋層上以濺鍍方式沉積一氧化鎢薄膜；以及以濺鍍方式於該氧化鎢薄膜上沉積一透明導電金屬薄膜，以形成一第二金屬電極。
較佳者，該氧化鎳薄膜係做儲存離子及輔助變色。
較佳者，該氧化鉭薄膜係做離子傳導使用。
較佳者，該鋰離子作用係使該氧化鎳薄膜褪色。
較佳者，該電子阻擋層作用係做阻擋電子通過、滯留電子於變色膜層內以吸引鋰離子，並可進一步避免元件短路現象發生。
較佳者，該電子阻擋層係為二氧化矽、四氮化三矽、氮氣化矽和二氧化鉿 之其中一者所構成。
較佳者，該透明導電金屬薄膜係為氧化銦錫所構成。
為進一步對本發明有更深入的說明，乃藉由以下圖示、圖號說明及新型詳細說明，冀能對 貴審查委員於審查工作有所助益。
1‧‧‧玻璃基板
2‧‧‧第一金屬電極
3‧‧‧氧化鎳薄膜
4‧‧‧氧化鉭薄膜
5‧‧‧電子阻擋層
6‧‧‧氧化鎢薄膜
7‧‧‧第二金屬電極
81‧‧‧以濺鍍方式沉積一透明導電金屬薄膜於一玻璃基板，以形成一第一金屬電極
82‧‧‧於該第一金屬電極上以濺鍍方式沉積一氧化鎳薄膜
83‧‧‧於該氧化鎳上以濺鍍方式沉積一氧化鉭薄膜
84‧‧‧以電化學方式於該氧化鎳薄膜中注入一鋰離子
85‧‧‧以濺鍍或電漿方式輔以化學氣相沉積方式於該氧化鉭薄膜上沉積一電子阻擋層
86‧‧‧於該電子阻擋層上以濺鍍方式沉積一氧化鎢薄膜
87‧‧‧以濺鍍方式於該氧化鎢薄膜上沉積一透明導電金屬薄膜，以形成一第二金屬電極
第1圖係為本發明全固態電致元件製造之第一實施結構；第2圖係為本發明全固態電致元件製造之第二實施結構；第3圖係為本發明全固態電致元件製造之第三實施結構；第4圖係為本發明全固態電致元件製造之第四實施結構；第5圖係為本發明全固態電致元件製造之第五實施結構；第6圖係為本發明全固態電致元件製造之第六實施結構；第7圖係為本發明全固態電致元件製造之第七實施結構；第8圖係為本發明全固態電致元件製造方法之實施流程圖。
茲配合下列之圖式說明本發明之詳細結構，及其連結關係，以利於 貴審委做一瞭解。
請參閱第1圖到第7圖所示，分別為本發明所提出之元件製程平面結構及橫切面結構示意圖，此結構由下而上係包含：一玻璃基板、一透明導電金屬薄膜(Transparent Conductive Oxide，TCO)、氧化鎳薄膜(NiO)、氧化鉭(Ta2O5)薄膜、電子阻擋層(Electron Blocking Layer)、氧化鎢(WO3)薄膜及上電極金屬薄膜。
上述該透明導電金屬薄膜係為氧化銦錫(Indium Tin Oxide，ITO)所構成。
其中，第5圖為在依序堆疊透明導電金屬薄膜(TCO)、氧化鎳薄膜(NiO)、氧化鉭(Ta2O5)薄膜後，預先用電化學方式注入鋰離子於氧化鎳薄膜 中，接著再以濺鍍(Sputtering)或電漿輔助化學氣相沉積(PECVD)鍍上一層絕緣性較佳的電子阻擋層，避免移除外加偏壓後，電子移出氧化鎢層而失去對鋰離子的吸引力，進而造成褪色，可用材料如：二氧化矽(SiO2)、四氮化三矽(Si3N4)、氮氣化矽(SiON)和二氧化鉿(HfO2)，最後於電子阻擋層上鍍完氧化鎢(WO3)後再用濺鍍方式鍍上作為透明導電金屬薄膜(TCO)作為上電極即可完成元件。應用上述結構便可減緩電子及鋰離子移出氧化鎢薄膜的時間，延長元件維持上色狀態的時間，亦可降低元件發生短路的機會，提升元件壽命。
綜合上述第1圖至第7圖的全固態電致元件製造所有實施結構，即可獲得如第8圖之製造方法，步驟如下：步驟81~以濺鍍方式沉積一透明導電金屬薄膜於一玻璃基板，以形成一第一金屬電極。
步驟82~於該第一金屬電極上以濺鍍方式沉積一氧化鎳薄膜。
步驟83~於該氧化鎳上以濺鍍方式沉積一氧化鉭薄膜。
步驟84~以電化學方式於該氧化鎳薄膜中注入一鋰離子。
步驟85~以濺鍍或電漿方式輔以化學氣相沉積方式於該氧化鉭薄膜上沉積一電子阻擋層。
步驟86~於該電子阻擋層上以濺鍍方式沉積一氧化鎢薄膜。
步驟87~以濺鍍方式於該氧化鎢薄膜上沉積一透明導電金屬薄膜，以形成一第二金屬電極。
藉由上述第1圖至第8圖之揭露，即可瞭解本發明為一種全固態電致變色元件的製造方法，可提供一種改善全固態電致變色元件持色效能之製程方式，增加元件維持上色時間；再者，可針對固態離子傳導層特性做一補強，不因顧及離子傳導特性而使元件漏電流過大，或是刻意為了達到低漏電流採用高緻密性薄膜而使離子不易或無法傳導通過，造成元件無效的窘境，能同時兼顧離子傳導層此兩種性質；另設置一電子阻擋層減低電子 穿透元件能力後，可使元件良率及壽命提升。該些優點於一太陽能電池或太陽能智慧窗領域中，具有極大的商業價值，故提出專利申請以尋求專利權之保護。
綜上所述，本發明之結構特徵及各實施例皆已詳細揭示，而可充分顯示出本發明案在目的及功效上均深賦實施之進步性，極具產業之利用價值，且為目前市面上前所未見之運用，依專利法之精神所述，本發明案完全符合新型專利之要件。
唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以之限定本發明所實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬於本發明專利涵蓋之範圍內，謹請 貴審查委員明鑑，並祈惠准，是所至禱。
81‧‧‧以濺鍍方式沉積一透明導電金屬薄膜於一玻璃基板，以形成一第一金屬電極
82‧‧‧於該第一金屬電極上以濺鍍方式沉積一氧化鎳薄膜
83‧‧‧於該氧化鎳上以濺鍍方式沉積一氧化鉭薄膜
84‧‧‧以電化學方式於該氧化鎳薄膜中注入一鋰離子
85‧‧‧以濺鍍或電漿方式輔以化學氣相沉積方式於該氧化鉭薄膜上沉積一電子阻擋層
86‧‧‧於該電子阻擋層上以濺鍍方式沉積一氧化鎢薄膜
87‧‧‧以濺鍍方式於該氧化鎢薄膜上沉積一透明導電金屬薄膜，以形成一第二金屬電極

Claims (7)

  1. 一種全固態電致變色元件的製造方法，其係包括有下列步驟：a.以濺鍍方式沉積一透明導電金屬薄膜於一玻璃基板，以形成一第一金屬電極；b.於該第一金屬電極上以濺鍍方式沉積一氧化鎳薄膜；c.於該氧化鎳上以濺鍍方式沉積一氧化鉭薄膜；d.以濺鍍或電漿方式輔以化學氣相沉積方式於該氧化鉭薄膜上沉積一電子阻擋層；e.於該氧化鉭薄膜上沉積該電子阻擋層後以電化學方式於該氧化鎳薄膜中注入一鋰離子；f.於該電子阻擋層上以濺鍍方式沉積一氧化鎢薄膜；以及g.以濺鍍方式於該氧化鎢薄膜上沉積一透明導電金屬薄膜，以形成一第二金屬電極。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之全固態電致變色元件的製造方法，其中該氧化鎳薄膜係做儲存離子及輔助變色。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之全固態電致變色元件的製造方法，其中該氧化鉭薄膜係做離子傳導使用。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之全固態電致變色元件的製造方法，其中該鋰離子作用係使該氧化鎳薄膜褪色。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之全固態電致變色元件的製造方法，其中該電子阻擋層作用係做阻擋電子通過、滯留電子於變色膜層內以吸引鋰離子，並可進一步避免元件短路現象發生。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之全固態電致變色元件的製造方法，其中該電子阻擋層係為二氧化矽、四氮化三矽、氮氣化矽和二氧化鉿之其中一者所構成。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之全固態電致變色元件的製造方法，其中該透明導電金屬薄膜係為氧化銦錫所構成。
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