中科院上硅所研发可用于智能玻璃的电致变色器件，响应快颜色深，大大拓展应用领域

近日，中国科学院上海硅酸盐研讨所曹逊研讨员团队与孙宜阳研讨员、上海年夜学罗宏杰传授、澳年夜利亚昆士兰科技年夜学John Bell传授以及中建材蚌埠玻璃工业设计研讨院互助，开发兼具快相应速率和高作/褪色对照度的电致变色器件。研讨结果以All-solid-state proton-based tandem structures for fast-switching electrochromic devices为题，于2022年1月24日颁发于Nature Electronic上。

曹逊研讨员奉告果壳硬科技：“我们研讨团队从试验和理论两个维度，初次提出应用质子中继式传输在WO3电致变色资料中实现了高作/褪色比的快速切换，并胜利制备出超快相应的全固态电致变色器件，突破了相应速率慢导致的利用局限，年夜年夜拓展了利用范畴。”

年夜面积和柔性电致变色器件的制备 | 邵泽伟供图

全固态电致变色器件的事情原理是经由过程对器件施加电压来调节太阳辐射的透射率，可用于制作智能窗户。电致变色是指资料的光学性子（反射率、透过率、吸收率等）在外加电场的作用下产生稳固、可逆的色彩变化的征象，在外观上表示为色彩和透明度的可逆变化。

应用电致变色资料制备的电致变色器件可普遍利用于节能窗和显示范畴。尤其是在显示范畴，相应速率慢严重制约了其利用于电子器件。该事情在晋升器件着/褪色对照度的同时将器件的相应光阴低落至1 s以下（0.7 s），明显低落了作为电子器件的功耗，进一步靠近显示器件的刷新频率，加快其利用过程。

“电致变色焦点的利用场景，除了建筑、汽车等的窗户以外，便是一些低功耗稳态显示器件，当前显示范畴并未用到电致变色，一方面，电致变色一样平常来讲是一种单稳态的器件，双稳态是将来的研讨偏向，实现双稳态可以在许多显示范畴的场景得到利用，好比超市的电子价钱显示码等等；另一方面，色彩的变化也使得电致变色在诸如手机等一些花费电子方面得到利用，可以实现个性化来电等。” 曹逊研讨员解释道。

研讨团队研发的这种电致变色器件，由五层资料构成，包含两层透明导电极（ITO）、氧化钨、有机物PEDOT:PSS和Na+离子对电极层。氧化钨（WO3）因其优异的机能是今朝利用最普遍的电致变色资料。WO3的电致变色进程主要是基于W元素的可逆变价以及阳离子（H+, Li+, Na+, Al3+等）的可逆嵌入和脱出来实现。此中，嵌入和脱出阳离子是影响资料着色速率和轮回稳固性的症结因素。在浩繁阳离子中，质子（H+）相比于其他阳离子具有更小的离子半径和更快的迁徙速率，在电致变色的嵌入和脱出进程中具有显著上风。然则，质子每每存在于液体电解质中而无法很好集成在固态电致变色器件中。

在这项结果中，曹逊研讨员团队初次引入可实现质子快速迁徙的有机物（PEDOT:PSS）作为固态质子源，并与WO3电致变色层复合设计串联络构的电致变色层。研讨职员发如今5/8 s的短脉冲刺激下仍能有用着/褪色。然而这种着/褪色的进程受限于有限的质子供给，其变化仅为约15%，还不克不及体现器件的全体机能。基于此，该事情立异性地提出插入一层Na+离子源，匆匆进H+高效开释。此外，在进一步电压的驱动下，更多Na+进入PEDOT:PSS层，着色水平继续加深，获得更高的着色对照对。第一性原理计算也为上述质子中继式迁徙机制提供了理论证据。

中继式质子传输电致变色器件布局示意图 | 邵泽伟供图

研讨职员进一步制备了全固态电致变色器件并评估综合机能，发现基于该布局的电致变色器件在着色进程中具有高作/褪色对照度（在650 nm处到达90%）、超快的相应速率（0.7s内着色至 90%，0.9 s内褪色至65%，7.1s内褪色至 90%）、优越的着色效力（在670 nm处到达109 cm2 C-1）和精彩的轮回稳固性（3,000次轮回后，着/褪色对照度低落小于10%）。此外，研讨职员还将该设计计划拓展至年夜面积全固态电致变色器件（30×40 cm2）和柔性器件（10×10 cm2）。

对付电致变色器件机能的进一步晋升，曹逊研讨员先容道：“电致变色将来要把变色的平均性做出晋升，将在建筑或车窗等范畴有着伟大的远景。另外，电致变色的多彩性也是其紧张的成长偏向，可以满意人们分歧的利用需求。”

新型电致变色器件的机能表征成果 | 邵泽伟供图

参考文献

[1] Shao, Z., Huang, A., Ming, C. et al. All-solid-state proton-based tandem structures for fast-switching electrochromic devices. Nat Electron 5, 45–52 (2022). https://doi.org/10.1038/s41928-021-00697-4

作者：邵泽伟

编纂：酥鱼

排版：尹宁流

研讨团队

（配合）通信作者曹逊：中国科学院上海硅酸盐研讨所研讨员，博士生导师，古陶瓷与工业陶瓷中心副主任，“光热调控智能资料课题组”组长，上海浦江人才。2004年卒业于吉林年夜学，获学士学位，2010年卒业于中国科学院上海硅酸盐研讨所资料物理与化学专业，获工学博士学位，卒业后留所事情担任助理研讨员、副研讨员，2015年开端先后在美国加州年夜学伯克利分校和劳伦兹国度试验室从事功效薄膜资料与器件的研讨，2016岁尾返国后，先后任课题组副组长，组长，研讨员。研讨偏向主要包含光热调控资料与元器件，新型节能资料及涂层开发等。获中科院首届“率先杯“将来技术立异年夜赛决赛优胜奖（排名第一），在光热调控资料及器件范畴颁发SCI论文60篇；结果被多种国际着名期刊（如：Nat. Nanotechnol., Adv. Mater., Rep. Prog. Phys.等）引用2600余次，H因子29。近五年来，以第一/通信作者在Nat. Electron., Matter (2篇), Adv. Energy Mater., Nano Energy (2篇), Acc Mater. Res., NPG Asia Mater., Laser Photonics & Rev. (2篇), J. Mater. Chem. A (2篇)等国际焦点期刊上颁发论文五十余篇。受邀介入撰写了4部光热调控资料相关英文著作；今朝担任《Materials Research Letters》，《Advances in Manufacturing》，《无机资料学报》青年编委。以第一/主要创造人累计申请专利30项，已获授权17项；多次受邀在国际/海内电致变色资料年夜会、国际特种陶瓷年夜会等学术论坛上作约请申报。作为卖力人主持国度重点研发方案课题、国度天然科学基金（3项）、中科院预研支持、中科院国际互助、JPPT、GF立异等项目20余项。

曹逊研讨员团队合影 | 邵泽伟供图

第一作者邵泽伟：2016年于中国科学技术年夜学资料科学与工程系得到学士学位，2021年于中国科学院上海硅酸盐所得到博士学位，导师为金平实研讨员和曹逊研讨员。2021年迄今在浙江年夜学杭州国际科创中心盛况传授团队从事博士后研讨，主要研讨范畴为功效氧化物与宽禁带半导体，致力于高机能氧化物界面设计与修建。

论文信息

宣布期刊《天然-电子学》Nature Electronic

宣布光阴2022年1月24日

文章题目All-solid-state proton-based tandem structures for fast-switching electrochromic devices

（DOI：https://doi.org/10.1038/s41928-021-00697-4）

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