浅论电致变色器件及其应用

　　摘  要：电致变色器件在不同电压作用下具有可逆的光学性能转换的特征。本文讨论了电致变色器件的构筑方式和几种不同应用方向的工作原理，综述了电致变色器件在节能智能窗、先进显示器、防眩汽车后视镜等领域的研究和应用进展。

　　关键词：电致变色器件; 智能窗; 防眩后视镜; 显示器

　　中图分类号：  O484 　　　文献标识码：  A      文章编号：2095-0802-(2012)06-00  -00

　　Electrochromic Devices and Their Applications

　　CHEN Sheng*，TANG Li-wei, LIU Hao-dan

　　(College of Light Industry& Textile & Food Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065,Sichuan,China)

　　Abstract: Electro chromic devices (ECDs) exhibit reversible optical behaviors when applying electrical potential. In this paper, the structure and working mechanism of ECDs are discussed. The research and applications of ECDs are reviewed, especially in the fields of smart windows, advanced displays, anti-glaring rearview mirrors.

　　Key words: electro chromic devices; smart windows; anti-glaring rearview mirrors; displays

　　0 引言

　　电致变色( Electrochromism，简写为EC)材料在外电场或电流作用下可发生可逆的光吸收或光散射，从而产生可逆的颜色变化，采用该材料所制备的光电器件称为电致变色器件（Electrochromic devices，简写为ECDs）。自从S. K. Deb于1969年首次发现WO3 薄膜的电致变色现象以来，人们逐渐发现和制备了很多具有电致变色性能的材料，使电致变色材料在显示器件、汽车、军事伪装、智能材料、节能建筑材料等领域具有十分广阔的应用前景[1,2]。

　　1 电致变色器件应用原理

　　经过几十年的发展，一些电致变色器件已经研制成功，有的还处于实验室阶段。电致变色器件的功能主要表现为透射可调、反射可调、信息显示和辐射可调，如图2所示[4]。相对应的器件大致可以分为节能智能窗、汽车防眩后视镜、电致变色显示器、电磁辐射屏蔽器等。下面就部分器件的工作原理、性能及其结构进行介绍。

　　2 电致变色器件的结构与制备

　　电致变色器件的核心为电致变色材料，在不同的氧化还原状态下显示不同的颜色。图1为典型的层状电致变色器件，由2个氧化铟锡透明导电玻璃（ITO玻璃）作电极，两电极之间由电致变色薄膜层、离子存储层和离子导电层（溶液、凝胶或固体电解质）构成[3]。离子导电层可以是电解质溶液、具有离子导电性的凝胶或聚合物薄膜。电致变色层是通过真空蒸镀、磁控溅射、化学气相沉积、溶胶凝胶法、电化学沉积、溶液浇注、喷涂或旋涂等方法制备的具有电致变色性能的无机或有机膜材料。离子存储层一般为金属氧化物（如NiO或IrO2）或有机薄膜，一些器件的制备中也选择能与另一侧电致变色层形成颜色和透过率互补的具有一定电致变色性能的膜材料。电致变色器件一般施加1-2V直流电压便可产生颜色和透过率的变化，变化发生后断开电源，其颜色状态可以保持，直到施加另一电压达到另一状态。

　　3 电致变色器件的应用

　　3.1 电致变色汽车防眩后视镜

　　电致变色汽车防眩后视镜（安全夜视镜）是采用图1.10中b原理设计的电致变色器件器件，通过改变电致变色层的光吸收来达到镜子反射亮度的智能调节(如图5所示[9])，使镜子周围的亮光变暗，减少来自镜子后面强烈的炫光，从而达到安全驾驶的目的。这种器件是把适当的粘性电解液注入到导电玻璃和反射镜之间，再给电致变色层施加低电压，就能调节镜子的反射率，使灯光变暗。这种器件是以WO3为阴极变色材料，三苯胺聚合物作为阳极变色材料，目前已经商业化，用于高端汽车观后镜。

　　3.12电致变色节能智能窗

　　采用电致变色材料制备出大面积的可用于建筑窗户或者汽车天窗的器件被称为智能窗（Smart Window），其工作原理如图2（a）所示，能够根据使用者的需要调节内部的光线。它有两种基本结构[5]：一种是夹层式，即在两层透明导电玻璃上的变色层和存储层之间注入一层聚合物离子导体层；另一种是单片式结构，即在导电玻璃衬底上依次镀上离子存储层、离子导体层、电致变色层和透明导电层。这两种结构均可在通以小电压(1 V～5 V) 的情况下发生褪色(光透射率>60%)和着色(光透<15%)的可逆变化，从而动态的调节室内的光热性能，节约了因为加热或冷却室温而消耗的大量电能，也充分得利用了太阳能，使室内变得舒适。美国Gentex公司制造出了1×2m2的大面积智能窗（图3）[6]。

　　3.3 电致变色显示器

　　电致变色显示器是采用电致变色材料为显色基材所制备的显示器件，与其它显示器相比具有无视盲角、对比度高，易实现灰度控制、制造方便、工作温度范围宽、驱动电压低、色彩丰富等优点。但目前由于电致变色材料的响应时间太长，电致变色显示器并没有大规模的投入市场。为了解决响应时间问题，Cummins 等人[7]报道了一种使用纳米晶材料的变色器件，只要提供1. 2 V 的电压就可以使之变色，其颜色转换时间达到250 ms。变色机理是使紫精还原而变成蓝色；使吩噻嗪(phenothiazine) 氧化成红色，从而使器件呈现蓝红色。Gratzel认为这种器件拥有极其快速的响应是因为纳米晶金属氧化物同变色材料间快速的电荷转移以及孔隙中电解质离子的快速平衡[8]。这种器件循环上千次性能也不会降低，而且在被提供的电压撤除时颜色仍然能维持600 s 以上

　　4 结语

　　电致变色材料除了能应用于以上领域外，一些关于雷达吸波材料、电色印刷技术、红外发射器件等方面的应用也引起了研究人员的广泛兴趣。作者认为在众多电致变色器件的应用领域中，电致变色节能智能窗将有很好的应用前景和价值。

　　参考文献：

　　[1] Deb S K. A novel electrophotographic system[J]. Applied Optics Supplement, 1969, 3: 192-195.

　　[2] Somani P R, Radhakrishnan S. Electrochromic materials and devices: present and future[J]. Mater. Chem. Phys., 2002, 77: 117-113.

　　[3] Granqvist C. G. Electrochromic materials out of a niche[J]. Nat. Mater., 2006, 5: 89-90.

　　[4] Veszelei M M, Vaivars G, Granqvist C G, et al. Recent advances in electrochromics for smart windows applications[J]. Sol. Energy, 1998, 63: 199-216.

　　[5] Agrawal A, Cronin J P, Zhang R. Review of solid state electrochromic coatings produced using sol-gel techniques[J]. Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 1993, 31: 9-21.

　　[6] Rosseinsky D R, Mortimer R J. Electrochromic systems and the prospects for devices[J]. Adv. Mater., 2001, 13: 783-793.

　　[7] Cummins D, Boschloo G, Ryan M,et al.Ultrafast electrochromic windows based on redox-chromophore modified nanostructured semiconducting and conducting films[J]. J. Phys. Chem. B, 2000, 104: 11449-11459.

　　[8] Gratzel M. Ultrafast colour displays[J]. Nature, 2001, 409: 575-576.

　　[9] Deb S K. Opportunities and challenges of electrochromic phenomena in transition metal oxides[J]. Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 1992, 25: 327-338.