寧波材料所在面向大面積、可商業(yè)化電致變色器件領(lǐng)域取得系列進展

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，瞄準國家“碳達峰·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態(tài)調(diào)節(jié)太陽輻射等外界熱量進入室內(nèi)強弱，有望替代傳統(tǒng)的Low-E玻璃，進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)?；赝度胧袌?。

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(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、高離子電導率、高粘結(jié)強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一步開展。

從2019年開始，中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所柔性光電材料團隊楊曄研究員帶領(lǐng)研究團隊在面向大面積、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)出具有導電性的陶瓷WO3和NiO靶材，利用磁控濺射方式，實現(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申請中國發(fā)明專利4項 （ZL2020114624862 （授權(quán)）、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(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率提升至1.51×10-4 S cm-1，優(yōu)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(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、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(wěn)定性（高達150℃）。在此基礎(chǔ)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(wěn)定性”；在室溫下承受1萬次循環(huán)測試，在80℃下可循環(huán)6萬次，在–20℃的低溫下依然存在9.3%的光學調(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，該團隊還利用現(xiàn)有商業(yè)化夾膠產(chǎn)線實現(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)時間小于10min，進一步證明利用產(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