Основной принцип работы электрохромного стекла заключается в том, что при приложении небольшого напряжения ионы внутри стекла заставляют двигаться, вызывая обратимые и стабильные изменения оптических свойств (цвета и прозрачности) материала.
Подробный принцип работы (пошаговый--анализ
Вы можете представить его как очень тонкую и прозрачную «батарейку», которая меняет цвет при зарядке и снова становится прозрачной при разрядке.
1. Основная структура (сэндвич-структура)
Типичное электрохромное стекло состоит из пяти слоев функциональных пленок, помещенных между двумя стеклянными подложками:
Внешнее стекло: Подложка.
Прозрачный проводящий слой (TCO): Обычно оксид индия и олова (ITO) служит электродом для подачи напряжения.
Электрохромный слой (EC-слой): Основной слой, содержащий электрохромные материалы (например, триоксид вольфрама WO₃). При инжекции ионов и электронов он меняет цвет (обычно становится синим).
Слой ионного проводника (слой электролита): он хранит ионы (например, Li⁺) и позволяет ионам проходить под действием электрического поля, но изолирует электроны.
Слой хранения ионов (слой противоэлектрода): когда электрохромный слой меняет цвет, он должен обеспечивать или получать ионы для поддержания баланса заряда и обычно сам обладает дополнительными свойствами изменения цвета-.
Прозрачный проводящий слой (TCO): Электрод на другой стороне.
Внешнее стекло: Подложка.
Структура упрощена: стекло, проводящий слой, электрохромный слой, слой ионного проводника, слой хранения ионов, проводящий слой и стекло.
2. Рабочий процесс (на примере триоксида вольфрама WO₃ и ионов лития Li⁺)
а. Окраска - При подаче напряжения
Когда к прозрачным проводящим слоям с обеих сторон прикладывается постоянное напряжение (обычно очень низкое, 1-5 В):
Привод электрического поля: электрическое поле заставляет ионы лития (Li⁺) в слое ионного проводника двигаться к электрохромному слою (WO₃).
Инжекция ионов и электронов: Между тем, электроны (e⁻) также инжектируются в электрохромный слой через внешнюю цепь.
Происходят химические реакции: в электрохромном слое ионы и электроны подвергаются реакциям восстановления (интеркаляции) с материалом.
WO₃ (прозрачный) + xLi⁺ + xe⁻ ⇌ LixWO₃ (синий)
Изменение цвета: Продукт LixWO₃ представляет собой соединение темно-синего цвета, которое поглощает видимый свет, тем самым затемняя цвет стекла и уменьшая его прозрачность. При этом слой хранения ионов окисляется и теряет ионы, поддерживая баланс зарядов всей системы.
б. Затухание (обесцвечивание) - при изменении напряжения или отключении
При изменении напряжения или коротком-замыкании:
Обращение процесса: направление электрического поля меняется или исчезает, ионы и электроны извлекаются из электрохромного слоя и возвращаются в слой ионного проводника и слой хранения ионов.
Происходит обратная реакция: указанная выше химическая реакция протекает слева, при этом LixWO₃ снова разлагается на прозрачный WO₃ и высвобождает Li⁺ и e⁻.
Восстановление прозрачности: стекло возвращается в состояние высокой прозрачности.
в. Эффект памяти
Одним из ключевых преимуществ электрохромного стекла является то, что оно обладает бистабильными свойствами. Образовавшееся обесцвеченное или блеклое состояние может сохраняться в течение длительного времени (несколько часов или даже дней), даже если полностью отключить электричество. Потому что вышеупомянутая-химическая реакция находится в стабильном состоянии, если не возбуждается внешним электрическим полем. Он потребляет электроэнергию только тогда, когда ему необходимо изменить свое состояние, что делает его очень-эффективным с точки зрения энергопотребления.
