Электрохромное устройство
Электрохромное устройство ( ЭХД ) контролирует оптические свойства, такие как оптическое пропускание, поглощение, отражение и/или эмиттанс, непрерывным, но обратимым образом при приложении напряжения ( электрохромизм ). Это свойство позволяет использовать ЭЗД в таких приложениях, как «умное стекло» , электрохромные зеркала и электрохромные устройства отображения.
История
[ редактировать ]История электроокрашивания восходит к 1704 году, когда Дисбах открыл берлинскую лазурь (гексацианоферрат), меняющую цвет с прозрачного на синий при окислении железа. В 1930-х годах Кобосев и Некрасов впервые заметили электрохимическое окрашивание объемного оксида вольфрама. Работая в Бальцерсе в Лихтенштейне, Т. Краус 30 июля 1953 г. дал подробное описание электрохимического окрашивания тонкой пленки триоксида вольфрама (WO 3 ). В 1969 г. С. К. Деб продемонстрировал электрохромное окрашивание тонких пленок WO 3 . [1] Деб наблюдала электрохромный цвет, применяя электрическое поле порядка 10 4 Всм −1 через тонкую пленку WO 3 . Фактически, настоящее рождение EC-технологии обычно приписывают основополагающей статье С.К. Деба 1973 года, в которой он описал механизм окраски в WO 3 . [2] Электрохромизм возникает из-за электрохимических окислительно - восстановительных реакций, происходящих в электрохромных материалах. Для создания электрохромных устройств в зависимости от конкретного применения могут использоваться различные типы материалов и структур.
Структура устройства
[ редактировать ]
Электрохромные (иногда называемые электрохроматическими) устройства представляют собой один из видов электрохромных ячеек. [3] Базовая структура ЭЗД состоит из двух слоев ЭХ, разделенных электролитическим слоем. ЭЗД работает от внешнего напряжения, для чего используются проводящие электроды по обе стороны обоих слоев ЭХ. Электрохромные устройства можно разделить на два типа в зависимости от типа используемого электролита, а именно. Ламинированные ЭЗД — это те, в которых используется жидкий гель, тогда как в устройствах ЭХ с твердым электролитом используется твердый неорганический или органический материал. Базовая структура электрохромного устройства включает пять слоев, наложенных друг на друга на одной подложке или расположенных между двумя подложками в ламинированной конфигурации. В этой структуре в ЭЗД присутствуют три принципиально различных типа слоистых материалов: слой ЭХ и слой хранения ионов проводят ионы и электроны и относятся к классу смешанных проводников. Электролит является чистым ионным проводником и разделяет два слоя EC. Прозрачные проводники являются чистыми проводниками электронов. Оптическое поглощение происходит, когда электроны перемещаются в слои ЭЦ из прозрачных проводников вместе с ионами, уравновешивающими заряд, поступающими из электролита.
Твердотельные устройства
[ редактировать ]В твердотельных электрохромных устройствах твердый неорганический или органический используется в качестве электролита материал . Ta 2 O 5 и ZrO 2 являются наиболее изученными неорганическими твердыми электролитами.
Ламинированные устройства
[ редактировать ]Ламинированные электрохромные устройства содержат жидкий гель, который используется в качестве электролита.
Режим работы
[ редактировать ]
Обычно ЭЗД бывают двух типов в зависимости от режимов работы устройства, а именно режима передачи и режима отражения. В режиме пропускания проводящие электроды прозрачны и контролируют интенсивность проходящего через них света; этот режим используется в приложениях Smart-Windows. В режиме отражения один из прозрачных проводящих электродов (TCE) заменяется отражающей поверхностью, такой как алюминий, золото или серебро, которая контролирует интенсивность отражающего света; этот режим полезен в зеркалах заднего вида автомобилей и устройствах отображения EC.
Приложения
[ редактировать ]Умные окна
[ редактировать ]
Окна оказывают как прямое, так и косвенное влияние на энергопотребление здания. Электрохромные окна или нанесение на окна электрохромных переключаемых стекол, также известных как «умные окна» , представляют собой технологию повышения энергоэффективности, используемую в зданиях за счет контроля количества проходящего через них солнечного света. [4] Солнечно-оптические свойства электрохромных покрытий изменяются в широком диапазоне в зависимости от приложенного электрического сигнала, который можно применить с помощью лабораторных процессов, таких как циклическая вольтамперометрия (ЦВ). В частности, эти умные окна изготовлены из оксида вольфрама (WO 3 ). Оксид вольфрама известен как стандартный материал, используемый для электрохромных устройств, благодаря его широкому оптическому окну в диапазоне 400–630 нм и длительной циклической стабильности порядка тысяч циклов. Чтобы улучшить электрохромные характеристики покрытий из оксида вольфрама, электрохромные покрытия готовятся путем введения небольшого количества дофамина (ДА) в золь-предшественник пероксовольфрамовой кислоты (ПТА) для образования вольфрамовых комплексов на поверхности наночастиц . Этот метод обработки демонстрирует многообещающую циклическую стабильность, поскольку он выдерживает до тридцати пяти тысяч циклов, что больше, чем у обычного WO 3 , поскольку образование новых лигандов способствует плазмонной настройке в электрохимии наночастиц. [5] Они также могут производить меньше бликов, чем фриттованное стекло . [6] Эффективность электрохромных окон зависит от внутренних свойств покрытия, размещения покрытия в оконной системе и параметров, связанных со зданием, для которого они используются. В дополнение к этому, эффективность электрохромного покрытия напрямую зависит от кинетики роста таких тонкопленочных слоев, поскольку более тонкие пленки и неравномерные покрытия имеют более низкий оптический сигнал по сравнению с более толстыми пленками с большей однородностью, имеющими больший контроль и подвергающимися воздействию больший оптический сигнал. [7]
Эти окна обычно содержат слои для тонировки в ответ на увеличение количества поступающего солнечного света и для защиты от УФ-излучения . Например, стекло, разработанное Gesimat, имеет слой оксида вольфрама, слой поливинилбутираля и слой берлинской лазури, зажатый двумя двойными слоями стекла и стекла, легированного фтором, и покрытого оксидом олова. [8] Слои оксида вольфрама и берлинской лазури образуют положительные и отрицательные концы батареи, используя поступающую световую энергию. [9] Поливинилбутираль (ПВБ) образует центральный слой и служит полимерным электролитом. Это обеспечивает поток ионов, которые, в свою очередь, генерируют ток.
Зеркала
[ редактировать ]В электрохромных зеркалах используется комбинация оптоэлектронных датчиков и сложной электроники, которая контролирует как окружающее освещение, так и интенсивность света, падающего на поверхность. Как только блики попадают на поверхность, эти зеркала автоматически затемняют отражения мигающего света от следующих за ними транспортных средств в ночное время, чтобы водитель мог видеть их без дискомфорта. Однако эти зеркала тускнеют лишь в зависимости от количества света, падающего на них. [10]
Другие дисплеи
[ редактировать ]Электрохромные дисплеи могут работать в одном из двух режимов: в режиме отражения света, когда свет или другое излучение падает на поверхность и перенаправляется, или в режиме пропускания света, который передается через подложку; большинство дисплеев работает в отражающем режиме.Несмотря на то, что электрохромные устройства считаются более «пассивными», поскольку они не излучают свет и для функционирования нуждаются во внешнем освещении, электрохромные покрытия на устройствах были предложены для плоских дисплеев и устройств визуального отображения (ВДУ). Например, в начале 2000-х годов на iPod было нанесено электрохромное покрытие , а нанохромный экран превзошел экран оригинального iPod с точки зрения точности отображения и яркости экрана. Электрохромия использовалась и для других приложений отображения; однако эта технология все еще находится в зачаточном состоянии и конкурирует с жидкокристаллическими дисплеями (ЖК-дисплеями) и их присутствием на рынке. Электрохромные устройства действительно имеют преимущества перед материалами, синтезированными для производства оптоэлектроники на основе ЖК-дисплеев, например, потребляют мало энергии или вообще не потребляют ее при создании изображений, и такое же количество энергии требуется для поддержания существующих дисплеев, и нет никаких ограничений на размер такого устройства, поскольку это зависит от производственных мощностей и количества электродов. Но они не используются регулярно из-за их быстрого времени отклика 𝜏, оцениваемого по уравнению l=(Dt)0,5. Для электрохромных частиц типа I (фаза раствора) коэффициент диффузии составляет порядка 10. –7 см 2 /с. Для сравнения, для электрохромных частиц типа III коэффициент диффузии составляет порядка 10. –12 см 2 /с, что позволяет увеличить время отклика порядка десяти секунд по сравнению с почти миллисекундой при использовании устройств типа I. Такие электрохромные дисплеи, которые будут использоваться в коммерческих целях, должны быть оптимизированы на уровне обработки и синтеза материалов, чтобы конкурировать с ЖК-дисплеями в передовых технологиях отображения, помимо iPod. [11]
Другие области применения включают динамическую тонировку очков и козырьков мотоциклетных шлемов, а также специальную бумагу для рисования стилусом.
Галерея
[ редактировать ]
Электрохромное предметное стекло в отбеленном состоянии.
Электрохромное предметное стекло в цветном состоянии.
Электрохромное стекло, установленное в зданиях
Автомобильное зеркало с автоматическим затемнением
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Деб, СК (1969). «Новая электрофотографическая система». Прикладная оптика . 8 (С1): 192–195. Бибкод : 1969ApOpt...8S.192D . дои : 10.1364/AO.8.S1.000192 . ПМИД 20076124 .
- ^ Деб, СК (1973). «Оптические и фотоэлектрические свойства и центры окраски в тонких пленках оксида вольфрама». Философский журнал . 27 (4): 801–822. Бибкод : 1973PMag...27..801D . дои : 10.1080/14786437308227562 .
- ^ Сюй, Цзянь Вэй; Чуа, Мин Хуэй; Шах, Коук Вей (январь 2019 г.). Электрохромные интеллектуальные материалы: изготовление и применение . Королевское общество Кембриджа. дои : 10.1039/9781788016667 . ISBN 978-1-78801-143-3 .
- ^ Миллер, Бритни Дж. (8 июня 2022 г.). «Как умные окна экономят энергию» . Знающий журнал . doi : 10.1146/knowable-060822-3 . Проверено 15 июля 2022 г.
- ^ Джеффри Л. Уорнер, М. Сьюзен Рейли, Стивен Э. Селковиц, Дариуш К. Арасте, Грегг Д. Андер (август 1992 г.). Полезность и экономические преимущества электрохромных умных окон . Материалы летнего исследования ACEEE 1992 года по энергоэффективности зданий . Проверено 24 мая 2023 г.
{{cite conference}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Малекафзали Ардакан, Аху; Сок, Элоиза; Немаш, Джефф (1 сентября 2017 г.). «Электрохромное стекло по сравнению с фриттированным стеклом: анализ эффективности контроля бликов» . Энергетическая процедура . 122 : 343–348. дои : 10.1016/j.egypro.2017.07.334 .
- ^ Алдавуд, Абдельсалам (1 апреля 2013 г.). «Обычные устройства с фиксированным затемнением в сравнении с системой электрохромного остекления в жарком и сухом климате». Энергия и здания . 59 : 104–110. дои : 10.1016/j.enbuild.2012.12.031 .
- ^ Крафт, Александр; Роттманн, Матиас; Хекнер, Карл-Хайнц (6 марта 2006 г.). «Электрохромное остекление большой площади с ионопроводящей прослойкой ПВБ и двумя взаимодополняющими электроосажденными электрохромными слоями». Материалы для солнечной энергии и солнечные элементы . 90 (4): 469–476. дои : 10.1016/j.solmat.2005.01.019 .
- ^ Крафт, Александр; Роттманн, Матиас (01 декабря 2009 г.). «Свойства, характеристики и современное состояние многослойного электрохромного стекла Gesimat». Материалы для солнечной энергии и солнечные элементы . 93 (12): 2088–2092. дои : 10.1016/j.solmat.2009.05.010 .
- ^ «Электрохроматическое зеркало с автоматическим затемнением: оптоэлектронный датчик используется в безбликовом зеркале заднего вида и зеркале бокового вида: интеллектуальное стекло с технологией SPD» . БлогМех. 13 сентября 2022 г. . Проверено 24 мая 2023 г.
- ^ Монк П., Мортимер Р. и Россейнский Д. (2007). «Применение электрохромных устройств». Электрохромизм и электрохромные устройства . Кембридж: Издательство Кембриджского университета. стр. 395–416. дои : 10.1017/CBO9780511550959.015 . Проверено 24 мая 2023 г.
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )