电致变色玻璃在建筑节能应用与发展

【中玻网】引言

　　近年来节能低碳材料已成为的研究热点，具有阳光辐射控制功能的窗户玻璃越来越受到科研人员的重视，在商业建筑、大型建筑和高等住宅等方面都有很大的应用前景。目前能够应用在阳光控制玻璃的技术[1]有电致变色技术、气致变色技术、光致变色技术、热致变色技术、液晶技术等，其中电致变色技术很具有实现大面积产业化应用的潜力。很早在1969年，S.K.Deb初次发现了无定形WO3薄膜具有电致变色性能，并提出了“氧空位色心”机理，由此开启了电致变色的研究。20世纪80年代美国科学家C.M.Lampert和瑞典科学家C.G.Granqvist等人[2，3，4，5]提出了以电致变色膜为基础的一种新型节能窗，即灵巧节能调光窗(smart window)。1994年德国人利用电致变色新技术制成了欧洲一面利用电致变色可控制的玻璃外墙[6]。2007年PPG Aerpospace公司展示出应用在波音787飞机上的电致变色窗材料，由暗到亮共有5个不同级别[7]。使用电致变色技术制备的玻璃材料在电场作用下具有光吸收透过的可调节性，可以有效的控制外界的热辐射和内部的热扩散，减少建筑为保持室内温度必须消耗的大量能源，具有巨大市场应用前景。

　　1、电致变色玻璃的基本结构

　　电致变色玻璃的基本结构都是由两片玻璃基材和夹在其中的五层薄膜材料构成，如图1所示，透明导电层（TC）与玻璃基材一起构成透明导电玻璃作为透明电较，通常采用的透明导电层材料有氧化铟锡（ITO）、掺铝氧化锌（AZO）膜等。离子储存层（CE）起离子平衡作用，用于提供和储存变色所需的离子，一般使用可逆氧化还原物质。离子导体层（IC）用于传导变色反应过程中所需的离子。电子变色层（EC）是整个电致变色玻璃的核心，是变色反应发生层。

　　图1电致变色玻璃的基本结构

　　用于电致变色层的电致变色材料通常分为无机材料和农业生产体系材料两大类[8]。无机电致变色材料的典型代表是WO3，目前市场上已经出现多种以WO3为功能材料的电致变色器件。此外，MoO3、TiO2和NiOx也日益受到研究人员的重视，是具有应用前景的下一代电致变色材料。农业生产体系电致变色材料主要有聚噻吩类及其衍生物、紫罗精类、四硫富瓦烯、金属酞菁类化合物等。以紫罗精类为功能材料的电致变色材料已经得到实际应用，使用范围很广的液体电致变色材料是紫罗碱（二溴二庚基紫罗碱）的水溶液。

　　2、农业生产体系类电致变色窗和其市场前景

　　农业生产体系类电致变色玻璃一般由直接沉积TCO膜（这层TCO膜作为透明电较）的两片导电玻璃构成，把带有电较的两片导电玻璃边缘密封起来构成一个单元，透明导电膜朝内且留有空隙，将紫罗碱等农业生产体系电致变色材料注入这个空隙中，终会构成电致变色玻璃。Cummins等人[9]报道了一种使用纳米晶材料的变色器件，其变色机理是施加电压后紫罗精被还原变成蓝色，使吩噻嗪氧化成红色，从而使器件呈现蓝红色。汽车后视镜就是利用这种电致变色效应生产的玻璃产品，并且可进行大规模生产和销售。在美国，电致变色汽车后视镜己成为汽车制造商提供的标准配置，如Gentex公司[10]近几年为一百多种汽车品牌制造了一千多万个电致变色后视镜，对可见光谱的透过率可调整范围大约在20％-80％左右，可以防止眩光，能很好的满足汽车安全驾驶的需求。

　　农业生产体系电致变色材料种类相对较多，并且具有成本低、循环性好、变色响应时间快和变换颜色种类多等优点[11]。但是农业生产体系电致变色材料的化学稳定性和抗辐射能力较差，如果农业生产体系电致变色玻璃在室外（如天窗）应用，其使用寿命会变短。法国圣戈班公司几年前已经生产出农业生产体系电致变色玻璃产品“Privalite”，并投入市场。但由于化学稳定性、耐候性等因素的限制，农业生产体系电致变色玻璃在建筑节能上应用的可能性较小，更适合作为室内装饰用的玻璃材料。

　　3、无机类电致变色窗和其市场前景

　　无机类电致变色材料一般使用过渡金属或其衍生物[12]，其结构一般由直接沉积TCO膜的两片导电玻璃，其中一片镀有一层厚约300nm的阴较变色的电致变色材（EC）；另一片镀有厚度几乎相同的阳较变色的电致变色材料作为离子储存层（CE）。带有电较的两片玻璃边缘密封起来构成一个单元，两片玻璃之间填充满固态电解质或者液态电解质作为离子导体层。

　　很早C.G.Granqvist综述了WO3等无机变色材料的研究进展[2]，引起了世界范围内的研究热潮。美国试用Ucolite电致变色天窗[13]，就是使用直流电增加薄膜的变暗效果，可以有效的对阳光进行控制，此天窗已经在美国亚利桑那州试用。目前世界上有三家企业在生产全固态电致变色玻璃的灵巧窗，美国SAGE Electrochromics，德国EControl-Glas和德国Gesimat。各厂家生产的电致变色灵巧窗的性能参数如表1所示

　　表1全固态电致变色灵巧窗生产厂家及其性能参数

　　各企业生产的无机电致变色玻璃的很大尺寸是120×220 cm2，不能满足大面积、大规模使用的需求，所以研究更大单片面积的电致变色玻璃是未来研究的另一热点。

　　无机电致变色材料相对农业生产体系电致变色材料而言，虽然在色彩的多样性和响应速度不具备优势，但其具有性能稳定、耐候性强、与玻璃基板粘附力强和易于大面积生产等优点，在建筑物上的应用前景要好于农业生产体系电致变色材料。无机电致变色玻璃可以制成具有可控阳光透过率功能的中空玻璃。

　　4、大面积电致变色玻璃应用前景

　　随着人们对户外建筑的实用性和观赏性的要求越来越高，小尺寸的玻璃门窗显然已经不能满足人们的需求，而制备大面积板材的电致变色玻璃面临着很多困难。首先，由于电致变色玻璃的多层膜结构组成，需要选用先进的镀膜技术来保证大面积的膜层均匀性。其次，越大尺寸电致变色玻璃，越难以实现着褪色的均匀一致性。越大尺寸电致变色玻璃，对实现均匀地变色和颜色恢复所需要的电流要求也就越高，考虑到所采用的材料的电化学性能，不可能无限度地提高工作电压，所以大电流很难均匀地分布在整个玻璃上，这样就会产生颜色差异，从而影响视觉上的美观。另外，无机变色材料虽然在稳定性、耐候性上有优势，但是其色彩较为单一，响应时间较长。而农业生产体系变色材料的性能正好相反，如何互补农业生产体系无机其劣势制备出性能优异色彩多样的电致变色玻璃也是现在的研究难题。由于电致变色玻璃独特的结构，需要两片性能优异的TCO玻璃基板和多层功能膜以实现电致变色效果，其高昂的制造成本也是制约其大规模应用的因素之一。

　　5、展望

　　虽然电致变色玻璃在户外建筑上的应用还有很多问题，但是由于地球资源的日益枯竭，节能环保主题必然指导着如今的科学研究方向，相信像目前诸如电致变色玻璃之类的建筑物节能材料必然会打破其科研瓶颈，终会走向大面积产业化，其广泛应用到人们的实际生活中的一天会到来。