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中国科大研制出新型多色显示和柔性自供电电致变色器件

电致变色器件在节能建筑、低功耗显示器、防眩后视镜等领域具有广泛应用前景,受到广泛的关注。无机电致变色材料氧化钨(WO3-x)因其高光学透过调制率和优异循环稳定性而被认为是最有前景的电致变色候选材料之一。然而,其颜色变化单一,不利于其在多色显示等领域的应用。因此,丰富WO3-x基电致变色器件的颜色变化是十分重要的。

目前,已报道了通过WO3-x进行元素掺杂、合成WO3-x复合材料以及将WO3-x材料设计成等离子体共振或法布里-珀罗干涉仪结构等方法来解决其颜色单调的缺陷,但仍然存在成本高或者牺牲器件高透明度的缺点。

近日,中国科学技术大学俞书宏院士团队设计了一种新型的基于纳米线组装体的多色显示电致变色器件,该器件通过采用界面组装技术将W18O49和V2O5纳米线共组装在一起,使该器件具有特定的光学、电学和多色显示的特性(图1a)。

与一般电致变色器件相比,该器件的优势体现在以下两个方面:(1) 由于W18O49和V2O5纳米线在同一外加电压下显示出不同的颜色,因此在施加2 V、0 V和-0.5 V偏压下,纳米线共组装体可以呈现出由橙色、绿色到灰色的动态颜色变化。

通过控制两种纳米线的比例,可调控共组装薄膜的电致变色性能,包括颜色显示、透明度、响应时间和着色率(图1b);(2) 可以通过LB技术在掩膜板的辅助下构造各种图案和组份调控,以实现更复杂的色彩显示和信息传输(图1c-d)。

中国科大研制出新型多色显示和柔性自供电电致变色器件

图1. 基于W18O49和V2O5纳米线共组装构筑多色显示器件及其性能调控

同时,因电致变色器件大多基于脆性ITO基底制备,并需要外电源系统来驱动工作,影响了器件的柔性、独立性以及便携性。近年来,有报道将太阳能电池或纳米发电机与电致变色系统集成在一起,用于制造自供电的电致变色器件。但是,这种装置需要复杂的集成系统,往往不利于实际使用,因此研制具有柔性和机械稳定性的自供电电致变色器件仍然具有挑战性。

中国科大研制出新型多色显示和柔性自供电电致变色器件

图2. 基于Ag和W18O49纳米线构筑的自供电柔性电致变色智能窗口

为解决这一问题,该团队特任副研究员王金龙等受原电池概念的启发,将原电池系统集成到基于高度稳定性和柔性的Ag 纳米线(NWs)透明导电电极(TCE)和W18O49纳米线电致变色薄膜中,成功构建了一种自供电柔性电致变色装置(图2a-b)。

在自供电柔性电致变色器件中,Ag纳米线发挥了两种作用,首先作为电极取代ITO衬底,然后与Al片耦合形成原电池两个工作电极。Ag纳米线与Al片的开路电压为~0.83 V,足以驱动W18O49纳米线的着色。与外置电源不同,自供电的电致变色器件避免了内阻,其平均着色效率(CE)比外置电源提高了约20%,从~50.7 c㎡/C提高到~62.2 c㎡/C(图2c)。

柔性自供电的电致变色装置在450个电致变色循环周期后仅消耗~6.8 mg/c㎡的铝片,成本仅为0.19美元/c㎡。此外,该便携式柔性自供电电致变色装置的尺寸可以扩大到20 × 20 c㎡(图2d)。此外,该器件作为智能窗口表现出良好的太阳光辐照调控性能,相比于褪色状态,窗口着色时可以将模拟太阳光照射物体的平均温度从33 oC降到25.6 oC(图2e-f)。

上述研究成果分别以 “Manipulating Nanowire Assemblies toward Multicolor Transparent Electrochromic Device”和“Self-Powered Flexible Electrochromic Smart Window”为题发表在Nano Letters上,为高性能的多色显示和柔性自供电电致变色器件的研制提供了新的途径。

该研究得到了国家自然科学基金创新研究群体项目、国家自然科学基金重点项目、中国科学院前沿重点项目、中央高校基本科研业务费专项基金、安徽省高校协同创新项目以及中科大同步辐射联合基金的资助。(来源:中国科学技术大学 化学与材料科学学院)

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