電致變色器件（ECD）是指在外加電壓（通常1～3V）刺激下，器件內(nèi)部敏感材料的光學(xué)特性發(fā)生可逆的變化，在智能窗戶、汽車、VR眼鏡等領(lǐng)域正在得到廣泛關(guān)注。其中，瞄準(zhǔn)國(guó)家“碳達(dá)峰·碳中和”這一重大戰(zhàn)略需求，采用基于電致變色玻璃的新型智能窗可以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)太陽(yáng)輻射等外界熱量進(jìn)入室內(nèi)強(qiáng)弱，有望替代傳統(tǒng)的Low-E玻璃，進(jìn)一步降低建筑物暖通與空調(diào)系統(tǒng)（HVAC）的能耗，成為下一代建筑節(jié)能的重要手段之一。

受制于產(chǎn)能、制備效率以及成本等因素的影響，大面積電致變色玻璃器件仍然沒有規(guī)模化地投入市場(chǎng)。

相比于在玻璃表面采用Layer by layer的方式制備多層膜的電致變色器件，以高性能鋰離子膠膜為中間層，將磁控濺射沉積的Glass/TCO/WO3以及Glass/TCO/NiO通過夾膠（Lamination）的方式組裝成器件是一種實(shí)現(xiàn)大面積電致變色玻璃商業(yè)化的可行的技術(shù)手段，正逐漸成為器件制備技術(shù)的主流。然而，面向于大面積“夾膠型”器件的應(yīng)用，高性能WO3、NiO薄膜成分、結(jié)構(gòu)與性能調(diào)控、高離子電導(dǎo)率、高粘結(jié)強(qiáng)度的鋰離子膠膜材料以及大尺寸器件“夾膠”工藝等關(guān)鍵材料與技術(shù)方面的工作有待于進(jìn)一步開展。

從2019年開始，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所柔性光電材料團(tuán)隊(duì)楊曄研究員帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)在面向大面積、可商業(yè)化的“夾膠型”電致變色器件關(guān)鍵材料領(lǐng)域開展系列技術(shù)攻關(guān)，包括：

（1）開發(fā)出具有導(dǎo)電性的陶瓷WO3和NiO靶材，利用磁控濺射方式，實(shí)現(xiàn)純氬/微氧氣氛條件下高質(zhì)量WO3和NiO電致變色薄膜的快速沉積以及微結(jié)構(gòu)與性能的調(diào)控；

（2）采用18nm厚的氧化鋅錫（ZTO）緩沖層，實(shí)現(xiàn)室溫沉積的柔性襯底上的WO3和NiO電致變色薄膜循環(huán)穩(wěn)定性的提升；

（3）采用Li-Si共摻雜實(shí)現(xiàn)了NiO體系澄清態(tài)中性色的獲得以及電荷容量的提升；

（4）開發(fā)出兼容玻璃高溫鋼化工藝的NiO體系等。

相關(guān)工作陸續(xù)發(fā)表在Phys. Status Solidi A 2020， 217： 1900999；J. Alloys Compd.， 2021， 895： 162584；J. Alloys Compd.， 2021， 862， 158665；ACS Appl. Energy Mater.， 2021， 4（11）： 12935-12942申請(qǐng)中國(guó)發(fā)明專利4項(xiàng) （ZL2020114624862 （授權(quán)）、CN2021111734901、CN2021111737628、CN2022114804012）。

最近，該團(tuán)隊(duì)針對(duì)缺乏兼具高離子電導(dǎo)率和高機(jī)械性能的鋰離子膠膜這一制約”夾膠型”電致變色器件發(fā)展的關(guān)鍵材料問題開展研究，利用適量（10%）硅烷偶聯(lián)劑3-環(huán)氧丙基三甲氧基硅烷（KH560）改性聚乙烯醇縮丁醛（PVB）制備出全固態(tài)聚合物電解質(zhì)（Solid Polymer Electrolyte，SPE）膠膜，依靠交聯(lián)反應(yīng)產(chǎn)生三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)非晶區(qū)域的調(diào)控，將傳統(tǒng)夾膠玻璃用PVB材料的室溫離子電導(dǎo)率提升至1.51×10-4 S cm-1，優(yōu)于先前報(bào)道的10-5～10-7 S cm-1，離子導(dǎo)電行為在-20℃～80℃范圍內(nèi)符合Vogel-Tamman-Fulcher（VTF）關(guān)系。此外，所制備的PVB基SPE膠膜還表現(xiàn)出優(yōu)異的光學(xué)、機(jī)械和熱性能，包括高可見透過率（＞91%），相對(duì)高的粘接強(qiáng)度（2.13MPa）和熱穩(wěn)定性（高達(dá)150℃）。在此基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)利用夾膠工藝制備WO3-NiO電致變色器件，器件著色褪色均勻，具有“雙穩(wěn)定性”；在室溫下承受1萬(wàn)次循環(huán)測(cè)試，在80℃下可循環(huán)6萬(wàn)次，在–20℃的低溫下依然存在9.3%的光學(xué)調(diào)制幅度，展現(xiàn)出優(yōu)良的膠膜工作穩(wěn)定性，見圖1。

圖1“夾膠型”WO3-NiO電致變色器件及其高性能PVB聚合物電解質(zhì)

近期，該團(tuán)隊(duì)還利用現(xiàn)有商業(yè)化夾膠產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)了20×20 cm2 WO3-NiO電致變色器件夾膠組裝，獲得更加均勻的貼合效果，器件的著色態(tài)透過率5%，褪色態(tài)透過率65%，調(diào)制幅度為60%，響應(yīng)時(shí)間小于10min，進(jìn)一步證明利用產(chǎn)線現(xiàn)有設(shè)備制備大面積器件是可行的（見圖2）。

圖2基于現(xiàn)有商業(yè)化夾膠產(chǎn)線組裝的20×20 cm2 WO3-NiO電致變色器件

相關(guān)成果

Adv. Funct. Mater.

A Scalable，Robust Polyvinyl-Butyral-Based Solid Polymer Electrolyte with Outstanding Ionic Conductivity for Laminated Large-Area WO3–NiO Electrochromic Devices

DOI： 10.1002/adfm.202214417

審核編輯 ：李倩