一种电致变色器件及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于光电显示以及智能窗技术领域，尤其涉及一种电致变色器件及其制备方法和应用。

背景技术

电致变色是一种利用外加电场改变材料颜色或透明度的技术。通过在材料上施加电场，改变其晶体结构和电荷分布，从而引起光学性质的变化。电致变色技术作为一种新兴的科技，其具有响应速度快、可控性强、能耗低等优点，迅速引起了广大科研人员的兴趣。电致变色器件在智能建筑、智能窗户、汽车、航空、显示器、智能眼镜和可穿戴设备等领域具有广泛的应用和引人瞩目的商业前景。目前，因其技术复杂、成本高昂等弊端使其难以真正走向大规模市场应用。

一个完整的电致变色器件一般包括电极、电致变色层、电解质层等部分，其中电致变色层是决定器件颜色变化的主要部分，所用材料可以分为有机、无机氧化物、聚合物三大类。其中，有机电致变色材料具有可设计性、高对比度、响应快、成本低、可溶液加工等优点，是目前最具有商业前景的材料之一。

现有技术常见的电致变色器件制备方法包括物理气相沉积、磁控溅射等。但是因为大面积电致变色器件的制备需要更高精度的加工设备和工艺控制，增加了制备成本和技术难度，目前大多限于小面积器件制备。同时电致变色材料的变色速度相对较慢，通常需要几十毫秒到几秒钟的时间。在一些需要实时变色的应用中，如快速切换显示屏或实时光学调节系统，这种响应速度可能不够快速。此外，电致变色材料的变色速度也受到外界条件(如温度、湿度等)的影响，进一步限制了其应用范围。此外电致变色材料的寿命相对较短，经过一定次数的变色操作后，材料可能会出现老化、性能下降或损坏的情况。这可能导致电致变色器件的可靠性和稳定性下降，需要频繁维护和更换材料，增加了使用成本和操作复杂性。

因此，急需寻找一种工艺简单、成本低、稳定性好、响应速度快的大面积电致变色器件。

发明内容

针对以上存在的技术难题，本发明的目的在于提供一种电致变色器件及其制备方法和应用。该电致变色器件具有变色均匀、响应时间短、稳定性好、大面积等优点，可满足不同时间段对采光量不同的需求，以及有望实现多色彩、全色彩的变换，且所需原料来源广，成本低，制备过程简单。

为了实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案：

提供了一种电致变色器件，包括密封的电致变色器件空腔和所述空腔中的电致变色溶液；其中：

所述电致变色器件空腔由两片导电玻璃的导电面之间设置绝缘物构筑得到；

所述电致变色溶液，包括电致变色物质、对变色物质、离子液体和有机溶剂；其中：

电致变色物质和对变色物质的电子得失比例为1：1；

电致变色物质摩尔浓度为0.03-0.08M；离子液体浓度为变色物质摩尔浓度的10-20倍。

按上述方案，所述电致变色器件空腔带有两个孔，其中一个孔用于注入电致变色溶液，另一个孔用于排气泡；向空腔中注入电致变色溶液后，进行密封封装即得到电致变色器件。

按上述方案，所述导电玻璃面积S为10-100cm

按上述方案，两块导电玻璃间的空腔厚度为50-100mm。

按上述方案，还包括电极，电极与两片所述导电玻璃连通。优选地，两片所述导电玻璃相对端分别预留有宽度，与电极连通。

按上述方案，两片所述导电玻璃错位设置，中间重叠，两端裸露，分别与电极连通。

按上述方案，所述绝缘物为双面胶或封口膜。

按上述方案，所述导电玻璃为FTO玻璃或ITO玻璃。

按上述方案，所述电致变色物质为紫罗精类有机电致变色材料。

优选地，紫罗精类电致变色材料结构式为：

其中，

按上述方案，所述对变色物质为二茂铁、二甲基二茂铁中的任意一种。

按上述方案，所述离子液体为1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐([BMIm]TFSI)、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([BMIm]BF

按上述方案，变色物质和对变色物质的电子得失比例设定为1：1，据此计算配方中的变色物质和对变色物质的摩尔比。

按上述方案，所述有机溶剂为碳酸丙烯酯(PC)、碳酸乙烯酯(EC)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基亚砜(DMSO)等常见溶剂中地任意一种，

按上述方案，所述电致变色溶液的配置方法，包括以下步骤：

S1：将电致变色物质和离子液体溶于部分有机溶剂中，分散均匀；

S2：将对变色物质分散在剩余有机溶剂中，分散均匀；

S3：将S1和S2中均匀分散后的溶液混合均匀，即电致变色溶液。

提供一种上述电致变色器件的制备，将所述电致变色溶液灌入电致变色器件空腔中，通过震荡排气泡，密封，即可得到简易电致变色器件。

提供一种上述电致变色器件在汽车、飞机、建筑智能窗方面的应用。

提供一种上述电致变色器件的使用方法，具体为：利用钙钛矿太阳能电池进行驱动。

本发明提供了一种基于溶液型的简易电致变色器件及其制备和应用。通过将变色物质、对变色物质、离子液体分散在一种高沸点溶剂中，得到电致变色溶液。将两块导电玻璃的导电面相对，制成留有一定缝隙来灌注电致变色溶液的空腔和一定宽度的导电边缘以充当电极。将电致变色溶液灌入空腔中，封口，得到基于溶液型的简易电致变色器件。

本发明提供的方案与现有方案相比，具有以下有益效果：

1.本发明提供了一种电致变色器件，电致变色溶液封装在由两片导电玻璃构筑的空腔内，变色材料均匀分布在电致变色溶液中，保证了器件的变色均匀，有利于得到大面积的电致变色器件；同时具有快速响应特性，响应时间可在5秒以内；电致变色溶液封装在空腔内，保证具有出色的稳定性，经过多次的循环依然保持良好的变色性能，具有广泛的应用前景。

2.本发明制备的电致变色器件可调性强，在智能窗的应用方面，根据施加电压的不同，可以调节光的透过程度，从而满足不同时间段的不同采光需求。

3.本发明所得电致变色器件能耗少，且可以被第三代钙钛矿光伏电池所驱动，实现对传统能源的“零消耗”。

4.本发明制备电致变色器件所需原料来源广，成本低，制备过程简单，易于操作，轻松实现了大面积器件的制备，具有工业化应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例中电致变色器件的三明治结构示意图。

图2为本发明实施例中电致变色器件的制备流程。

图3为实施例1和2中的电致变色器件在不同电压下的吸收系数，其中左图为实施例1，右图为实施例2。

图4为实施例1和2中的电致变色器件在施加-2.5V电压下的响应速度；其中图4a为400nm波长下电致变色器件的透过率随时间的变化曲线；图4b为450nm波长下电致变色器件的透过率随时间的变化曲线；图4c为607nm波长下电致变色器件的透过率随时间的变化曲线。

图5为实施例1和2中的电致变色器件的着色效率。

图6为实施例2中的电致变色器件的循环性能。

图7为本发明实施例3中钙钛矿薄膜光伏的组件示意图。

图8为本发明实施例3中钙钛矿薄膜光伏的I-V曲线。

图9为本发明实施例3中钙钛矿薄膜光伏驱动的电致变色器件吸收曲线。

具体实施方式

为了更容易理解本发明，下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步说明：

本发明实施例提供了一种电致变色器件，包括密封的电致变色器件空腔和所述空腔中的电致变色溶液；其中：

所述电致变色器件空腔由两片导电玻璃的导电面之间设置绝缘物构筑得到；

所述电致变色溶液，包括电致变色物质、对变色物质、离子液体和有机溶剂；其中：

变色物质和对变色物质的电子得失比例为1：1；

变色物质摩尔浓度为0.03M-0.08M；离子液体浓度为变色物质摩尔浓度的10-20倍。

其中的一个实施例中，所述电致变色器件空腔带有两个孔，其中一个孔用于注入电致变色溶液，另一个孔用于排气泡；向空腔中注入电致变色溶液后，进行密封封装即得到电致变色器件。

其中的一个实施例中，所述导电玻璃面积S为10-100cm

其中的一个实施例中，两块导电玻璃间的空腔厚度为50-100mm。

其中的一个实施例中，还包括电极，电极与两片所述导电玻璃连通。优选地，两片所述导电玻璃相对端分别预留有宽度，与电极连通。

其中的一个实施例中，两片所述导电玻璃错位设置，中间重叠，两端裸露，分别与电极连通。

其中的一个实施例中，所述绝缘物为双面胶或封口膜。

其中的一个实施例中，所述导电玻璃为FTO玻璃或ITO玻璃。

其中的一个实施例中，所述电致变色物质为紫罗精类有机电致变色材料。

优选实施例中，紫罗精类电致变色材料结构式为：

其中，

其中的一个实施例中，所述对变色物质为二茂铁、二甲基二茂铁中的任意一种。

其中的一个实施例中，所述离子液体为1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐([BMIm]TFSI)、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([BMIm]BF

其中的一个实施例中，变色物质和对变色物质的电子得失比例设定为1：1，据此计算配方中的变色物质和对变色物质的摩尔比。

其中的一个实施例中，所述有机溶剂为碳酸丙烯酯(PC)、碳酸乙烯酯(EC)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基亚砜(DMSO)等常见溶剂中地任意一种，

以下是具体实施例

实施例1

提供一种电致变色器件的制备方法，包括以下步骤：

1)准备原料

变色物质选择庚基紫罗精，对变色物质选择二甲基二茂铁。从商业渠道购得1,1'-二庚基-4,4'-二溴化联吡啶鎓、1-丁基-3-甲基咪唑溴盐([BMIm]Br)、双(三氟甲基磺酰基)亚胺锂(LiTFSI)、碳酸丙烯酯(PC)等原料。

为了增加变色物质的溶解度，首先将HV(Br)

制备离子液体[BMIm]TFSI：将双(三氟甲基磺酰基)亚胺锂(LiTFSI)和1-丁基-3-甲基咪唑溴盐([BMIm]Br)按1.1：1的摩尔比加入去离子水中，在70℃下反应48h，生成油状沉淀物即[BMIm][TFSI]，去除反应体系中的水相，用去离子水洗涤[BMIm][TFSI]相3次，即可得到离子液体[BMIm][TFSI]。

本实施例中分散溶剂选择碳酸丙烯酯(PC)溶剂。

2)配制电致变色溶液具体过程如下：

第1步：分别称取HV(TFSI)

第2步：取二甲氧基二茂铁(dmFc)29.8mg，分散在1.5mL的PC溶液中。

第3步：将前两步的溶液进行均匀混合，即得到电致变色溶液。

3)电致变色器件空腔的制备过程如图2所示，文字叙述如下：

首先将FTO导电玻璃切成所10cm×10cm的尺寸，依次在去污剂、去离子水，酒精中各超声清洗20分钟。

其次，将两片清洗后的FTO导电玻璃的导电面相对，使用厚度为80mm的3M双面胶固定形成空腔。使用AB胶对四周进行封装，需要注意的是，预留两个小孔以灌注电致变色溶液和排气泡，同时两片FTO导电玻璃的相对端分别预留宽度以与电极连通。

4)电致变色器件的制备

将步骤2)所得电致变色溶液通过预留的孔灌注入步骤3)所得电致变色器件空腔内，通过震荡排气泡，然后进行二次封装，主要封装灌注之前的预留孔。即得到最终的电致变色器件。有效面积达到56cm

使用电化学工作站施加电压、使用光纤光谱仪测试电致变色器件的吸收系数(图3)、响应时间(图4)、着色效率(图5)等参数。

图3可以看出施加2.5V电压即可以实现较大的吸收，有利于降低能耗。图4显示特征波长400nm和606nm的响应时间均在4秒以内，图5显示着色效率为144.7C/cm

实施例2

提供一种电致变色器件的制备方法，包括以下步骤：

1)准备原料

变色物质选择庚基紫罗精，对变色物质选择二甲基二茂铁。从商业渠道购得1,1'-二庚基-4,4'-二溴化联吡啶鎓、1-丁基-3-甲基咪唑溴盐([BMIm]Br)、双(三氟甲基磺酰基)亚胺锂(LiTFSI)、碳酸丙烯酯(PC)等原料。

将HV(Br)

同实施例1方式制备得到离子液体[BMIm]TFSI。

本实施例中分散溶剂选择碳酸丙烯酯(PC)溶剂。

2)配制电致变色溶液具体过程如下：

第1步：分别称取HV(PF

第2步：取二甲氧基二茂铁(dmFc)29.8mg，分散在1.5mL的PC溶液中。

第3步：将前两步的溶液进行均匀混合，即得到电致变色溶液。

3)电致变色器件空腔的制备同实施例1。

4)电致变色器件的制备

将步骤2)所得电致变色溶液通过预留的孔灌注入步骤3)所得电致变色器件空腔内，通过震荡排气泡，然后进行二次封装，主要封装灌注之前的预留孔，即得到最终的电致变色器件。

使用电化学工作站施加电压、使用光纤光谱仪测试电致变色器件的吸收系数(图3)、响应时间(图4)、着色效率(图5)、稳定性(图6)等参数。

图3可以看出施加2.5V电压即可以实现较大的吸收，图4显示特征波长400nm和606nm的响应时间均在5秒以内，图5显示着色效率为122.9C/cm

实施例3

为了进一步验证本发明制备电致变色器件节能的性能，采用等面积的基底制备了钙钛矿太阳能电池，通过外接外部电路来实现对电致变色器件的驱动，以实现对实施例1中制备的电致变色器件进行驱动。

钙钛矿太阳能电池器件结构为FTO|SnO

图7是钙钛矿薄膜光伏的结构示意图，图8为钙钛矿太阳能薄膜光伏的I-V曲线，器件的功能转换效率只有12.6％，比较低。通过外部导线和电致变色器件进行连接。然后改变光强、测试电致变色的性能。图9为改变钙钛矿薄膜光伏的照射光强后，电致变色的吸收曲线。可以看出，等面积的薄膜光伏器件虽然性能不太好，但仍然可以驱动电致变色器件变色。可以预见的是，钙钛矿薄膜光伏器件取得突破后，便可更好地驱动本发明所述电致变色器件。

值得说明的是，以上实施例仅是为了使本发明易理解，对于本行业的普通工作者来说，基于权利说明书所做的微小变动，仍属于本发明保护的范围之内。