一种多功能智能窗

技术领域

本发明属于功能材料与器件技术领域，具体涉及一种多功能智能窗。

背景技术

电致变色是指在外界电场的作用下，材料发生氧化或还原导致其对光透射或反射产生可逆变化，在外观上表现为颜色的可逆变色现象。电致变色材料在实际应用中可以通过控制外加电场来调节物质的颜色变化、变色速度、变色深浅等，使变色现象按照预定的模式进行。由于上述特性，电致变色材料封装的电致变色器件在智能窗户、防眩汽车后视镜等领域得到了广泛应用。

目前，传统的电致变色智能窗仅能通过外加电场实现对透光率的变化，功能相对比较单一，对热量的吸收与反射能力比较有限，且不具备电能存储等功能。因此，开发一种多功能的变色器件，将在商业建筑、高级住宅和高档汽车中有广阔的应用前景。

经对现有文献、专利检索发现，目前还没有能将红外调控、透光率变化和能源存储功能一体化的器件。尽管已有大量论文或专利可实现电致变色与储能一体化的智能窗(Chemical Engineering Journal,2021,414:128892、ACS Applied Materials&Interfaces,2020,12:51978、Journal of Materials Chemistry A,2018,6:11113等)，这种三层结构的器件可以实现在同一种器件中达到电能存储与颜色变化(包含透光率变化)两种功能，可用于电源电量可视化或短路警告等。但是这种器件结构难以在此基础上兼顾红外调控的功能(即难以让多功能智能窗在无色透明状态下对散热性能进行控制)。此外，目前也有基于聚苯胺等材料对红外和可见光兼顾调节的三层结构的器件(Journal ofMaterials Chemistry A,2023,11:7264、Electrochimica Acta,2022,435:141274等)，但这类多为反射型器件，同时红外特性和颜色会同时在电场作用下发生变化，两种功能无法分离调控，导致其难以在智能窗中得到应用。由此可见，需要跳出传统多功能智能窗的结构设计思路，才能开发出一种能将红外调控、可见光透过率改变和能源存储功能一体化的器件。

发明内容

针对现有技术中电致变色智能窗功能单一、难以同时兼顾多功能的问题，本发明提出了一种多新的功能智能窗，以兼顾透光率变化、红外调控和能源存储三个功能。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种多功能智能窗，包括自下而上依次叠加的ITO(氧化铟锡)玻璃、第一环形隔膜、环形铜箔、第二环形隔膜、石墨烯膜和透红外膜；其中，所述第一环形隔膜、环形铜箔和第二环形隔膜的环形尺寸一致，且第一环形隔膜和第二环形隔膜被含锌和锂的电解质溶液浸润；所述ITO玻璃的导电面朝内；

通过对环形铜箔和石墨烯膜施加不同高低电平，实现红外调控；通过对ITO玻璃和环形铜箔施加不同高低电平，实现透光率调控；在低透光率时，将ITO玻璃和石墨烯膜作为外接负载的电极，实现对外接负载的供电，具有能源存储功能。

优选地，所述第一环形隔膜和第二环形隔膜的材料为PE(聚乙烯)、PP(聚丙烯)、玻璃纤维、无纺布、纤维素中的一种。

优选地，所述石墨烯膜通过CVD(化学气相沉积)法制备，层数为20层～200层。

优选地，所述透红外膜的材料为Al

优选地，所述含锌和锂的电解质溶液作为实现透光率变化、红外调控、能源存储的重要介质，由摩尔比为1：0.1：(1～4)：(0.1～1)：(0.0005～0.005)的组份A、组份B、组份C、组分D和组份E混合得到；其中，所述组份A为氯化胆碱、溴化胆碱、碘化胆碱、乙酸胆碱中的任一种或几种；组份B氯化锂、溴化锂、碘化锂、乙酸锂、高氯酸锂、双(三氟甲基磺酰)亚胺锂、三氟甲基磺酸锂中的一种或几种；组份C为硫酸锌及其水合物、高氯酸锌及其水合物、乙酸锌及其水合物、硝酸锌及其水合物、氯化锌及其水合物、双(三氟甲基磺酰)亚胺锌及其水合物、三氟甲基磺酸锌及其水合物、四氟硼酸锌及其水合物中的任一种或几种；组份D为乙二醇、聚乙二醇、丁二腈、1,3-二氧戊烷、环丁砜或乙酰胺；组份E为硫酸铜、氯化铜或硝酸铜。

优选地，红外调控时，高电平和低电平之间的电势差范围为0.5～1.0V；透光率调控时，高电平和低电平之间的电势差范围为0～2.0V。

本发明提出的多功能智能窗的工作原理为：

在早晨光线有限的环境下，通过在石墨烯膜接低电平，环形铜箔接高电平，电解质溶液中的锂离子吸附在石墨烯膜的表面或层间，使石墨烯膜处于低红外反射率状态，让更多的红外热传入室内；

在正午光线充足时，通过在石墨烯膜接高电平，环形铜箔接低电平，石墨烯膜表面或层间的锂离子发生脱附，使石墨烯膜处于高红外反射率状态，让更少的红外热量传入室内；

当夜晚需要休息时，通过在环形铜箔接高电平，ITO玻璃接低电平，使第一环形隔膜中含锌电解质溶液的锌离子在ITO玻璃的导电面电镀沉积为锌，进而降低ITO玻璃透光率；此后，当夜晚需要用电时，对ITO玻璃和石墨烯膜外接负载，由于锌与石墨烯具有较高的电势差，因此多功能智能窗可以当做电源实现供电功能；

通过在环形铜箔接低电平，ITO玻璃接高电平，使ITO玻璃的导电面的锌电离为锌离子，以提升ITO玻璃透光率。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

不同于传统具有三层结构的多功能智能窗，本发明提供的多功能智能窗具有多层结构，以分别实现不同的功能，具体对不同结构施加不同高低电平，实现红外调控和透光率调控的分离，低透光率情形还能为外接负载供电，进而兼顾透光率变化、红外调控和能源存储三个功能。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的多功能智能窗的结构示意图；

图2为本发明实施例1提供的多功能智能窗在不同工作模式下的原理图；

图3为本发明实施例1提供的多功能智能窗中ITO玻璃在不同镀锌状态下的照片；其中，(a)为镀锌前；(b)为镀锌完成；(c)为锌电离完成；

图4为本发明实施例1提供的多功能智能窗中ITO玻璃镀锌后的扫描电子显微镜图。

具体实施方式

下面结合实施例，详述本发明的技术方案。

实施例1

本实施例提供了一种兼顾透光率变化、红外调控和能源存储的多功能智能窗，结构如图1所示，包括自下而上依次叠加的ITO玻璃、第一环形隔膜、环形铜箔、第二环形隔膜、石墨烯膜和透红外膜。

其中，所述第一环形隔膜、环形铜箔和第二环形隔膜的环形尺寸一致，且第一环形隔膜和第二环形隔膜被含锌和锂的电解质溶液浸润；所述ITO玻璃的导电面朝内，作为含锌和锂的电解质溶液中锌离子可逆沉积的衬底。

本实施例中，第一环形隔膜和第二环形隔膜的材料为玻璃纤维，透红外膜的材料为PE膜，含锌和锂的电解质溶液由摩尔比为1：0.1：2：0.1：0.0005的氯化胆碱、高氯酸锂、乙二醇、氯化锌、氯化铜混合得到。

本实施例提供的多功能智能窗的制备过程具体为：

步骤1、通过CVD在镍箔上合成石墨烯膜，具体为：首先，将镍基底在100sccm的氢气和100sccm的氩气气体流动下加热至1050摄氏度进行生长；然后，将其在1050摄氏度下退火20分钟以除去天然氧化层；在大气压下流动的35sccm CH

步骤2、将生长有石墨烯膜的镍箔通过热释放胶带粘贴后，压至PE膜上60摄氏度加热得到石墨烯膜附着的PE膜，其石墨烯膜的层数约为20层；

步骤3、含锌电解质溶液的制备：

将10g氯化胆碱与高氯酸锂、乙二醇、氯化锌、氯化铜按照摩尔比1：0.1：2：0.1：0.0005混合，以60摄氏度加热过夜以保证充分溶解均匀；

步骤4、器件的组装：

步骤4.1、将两片玻璃纤维隔膜(GF/D型)剪裁成面积为5×6cm

步骤4.2、将20微米厚的铜箔剪裁成面积为5×6cm

步骤4.3、将5×6cm

图2为本实施例提供的多功能智能窗在不同工作模式下的原理图，具体为：

在早晨光线有限的环境下，通过在石墨烯极接低电平，铜极接高电平，电解质溶液中的锂离子吸附在石墨烯膜的表面或层间，使石墨烯膜处于低红外反射率状态，让更多的红外热传入室内；

在正午光线充足时，通过在石墨烯极接高电平，铜极接低电平，石墨烯膜表面或层间的锂离子发生脱附，使石墨烯膜处于高红外反射率状态，让更少的红外热量传入室内；

当夜晚需要休息时，通过在铜极接高电平，ITO极接低电平，使第一环形隔膜中电解质溶液的锌离子在ITO玻璃的导电面电镀沉积为锌，进而降低ITO玻璃透光率；此后，当夜晚需要用电时，对ITO极和石墨烯极外接负载，由于锌与石墨烯具有较高的电势差，因此多功能智能窗可以当做电源实现供电功能；

通过在铜极接低电平，ITO极接高电平，使ITO玻璃的导电面的锌电离为锌离子，以提升ITO玻璃透光率。

由此可见，红外反射率调控与ITO玻璃透光率调控是相分离，互不影响的。

示例地，在环形铜箔与ITO玻璃间加电压前，ITO玻璃为如图3(a)所示的高透光率；在环形铜箔与ITO玻璃间加-1.3V电压，30秒后由于锌的沉积可以发现ITO玻璃的透光度发生明显变化，如图3(b)所示，并将锌沉积后的ITO玻璃进行扫描电子显微镜观察，图4显示锌在ITO玻璃上沉积均匀，利于所得多功能智能窗在夜间工作时减少光透进室内。之后在环形铜箔与ITO玻璃间加1.1V电压，30秒后可以发现锌完全溶解，ITO玻璃重新变得透明，如图3(c)所示。进而表明所得多功能智能窗具有较好的可逆变色现象。

上述实施例仅说明本发明的原理及优点，而非用于限制本发明，仅为帮助理解本发明原理，本发明保护范围亦不限于上述的配置和实施例，本领域技术人员可以根据公开技术做出不脱离本发明实质的其他各种具体变形与组合，但仍在本发明的保护范围内。