發布時間：2023年4月26日
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電致變色器件（ECD）是指在外加電壓（通常1～3V）刺激下，器件內部敏感材料的光學特性發生可逆的變化，在智能窗戶、汽車、VR眼鏡等領域正在得到廣泛關注。其中，瞄準國家“碳達峰·碳中和”這一重大戰略需求，采用基于電致變色玻璃的新型智能窗可以動態調節太陽輻射等外界熱量進入室內強弱，有望替代傳統的Low-E玻璃，進一步降低建筑物暖通與空調系統（HVAC）的能耗，成為下一代建筑節能的重要手段之一。受制于產能、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模化地投入市場。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現大面積電致變色玻璃商業化的可行的技術手段，正逐漸成為器件制備技術的主流。然而，面向于大面積“夾膠型”器件的應用，高性能WO3、NiO薄膜成分、結構與性能調控、高離子電導率、高粘結強度的鋰離子膠膜材料以及大尺寸器件“夾膠”工藝等關鍵材料與技術方面的工作有待于進一步開展。
從2019年開始，中國科學院寧波材料技術與工程研究所柔性光電材料團隊楊曄研究員帶領研究團隊在面向大面積、可商業化的“夾膠型”電致變色器件關鍵材料領域開展系列技術攻關，包括：（1）開發出具有導電性的陶瓷WO3和NiO靶材，利用磁控濺射方式，實現純氬/微氧氣氛條件下高質量WO3和NiO電致變色薄膜的快速沉積以及微結構與性能的調控；（2）采用18nm厚的氧化鋅錫（ZTO）緩沖層，實現室溫沉積的柔性襯底上的WO3和NiO電致變色薄膜循環穩定性的提升；（3）采用Li-Si共摻雜實現了NiO體系澄清態中性色的獲得以及電荷容量的提升；（4）開發出兼容玻璃高溫鋼化工藝的NiO體系等，相關工作陸續發表在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；申請中國發明專利4項（ZL2020114624862（授權）、CN2021111734901、CN2021111737628、CN2022114804012）。
最近，該團隊針對缺乏兼具高離子電導率和高機械性能的鋰離子膠膜這一制約”夾膠型”電致變色器件發展的關鍵材料問題開展研究，利用適量（10%）硅烷偶聯劑3-環氧丙基三甲氧基硅烷（KH560）改性聚乙烯醇縮丁醛（PVB）制備出全固態聚合物電解質（Solid Polymer Electrolyte，SPE）膠膜，依靠交聯反應產生三維網絡結構對非晶區域的調控，將傳統夾膠玻璃用PVB材料的室溫離子電導率提升至1.51×10-4 S cm-1，優于先前報道的10-5～10-7 S cm-1，離子導電行為在-20℃～80℃范圍內符合Vogel-Tamman-Fulcher（VTF）關系。此外，所制備的PVB基SPE膠膜還表現出優異的光學、機械和熱性能，包括高可見透過率（＞91%），相對高的粘接強度（2.13MPa）和熱穩定性（高達150℃）。在此基礎上，該團隊利用夾膠工藝制備WO3-NiO電致變色器件，器件著色褪色均勻，具有“雙穩定性”；在室溫下承受1萬次循環測試，在80℃下可循環6萬次，在–20℃的低溫下依然存在9.3%的光學調制幅度，展現出優良的膠膜工作穩定性，見圖1。該工作結果以“A Scalable,Robust Polyvinyl-Butyral-Based Solid Polymer Electrolyte with Outstanding Ionic Conductivity for Laminated Large-Area WO3–NiO Electrochromic Devices”為題發表在Adv. Funct. Mater. 2023, 2214417 上，碩士研究生王雪琦為第一作者，通訊作者為楊曄研究員和宋偉杰研究員。相關技術同時申請中國發明專利（CN2023100635032）。
近期，該團隊還利用現有商業化夾膠產線實現了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，器件的著色態透過率5%，褪色態透過率65%，調制幅度為60%，響應時間小于10min，進一步證明利用產線現有設備制備大面積器件是可行的（見圖2）。
來源：中國科學院寧波材料技術與工程研究所 2023.4.25