第四届“创意光电”科普大赛参赛作品展示（14）：给我一点电，为你遮点光 ——电致变色智能窗

给我一点电，为你遮点光

——电致变色智能窗

参赛人：罗永鑫； 指导老师：黄亮

在生活中，你是否见过会变色的玻璃？只需要通过开关控制给它一点电，它就能从透明状态变成深色状态，为你遮挡夏日刺眼的阳光与温度。在变色过程中，它甚至可以根据你的需要， “智能的”为你停留在任何一个你想要的颜色状态，这就是电致变色智能窗。

图一 Cowberry公司TUNOX电致变色窗在不同模式下的颜色

是不是很神奇？那么问题来了，玻璃为什么能变色呢？这是由于玻璃中夹了一层电致变色材料。所谓电致变色材料就是材料在外加电场的作用下得失电子，发生电化学氧化还原反应，使其光学性质（如光的反射率、透过率、吸收率等）发生稳定、可逆的变化的现象，外观上表现为颜色和透明度的可逆变化。

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图二 电致变色材料在不同电压下的颜色变化

要想组装成一个电致变色智能窗，只有电致变色材料是不够的。传统的电致变色窗由两片玻璃基材和夹在其中的五层薄膜材料构成。分别是①透明导电层②电致变色材料层③电解质层④离子储存层⑤透明导电层，其中电致变色层是发生颜色改变的功能材料层，离子储存层是用于提供和储存变色所需的离子。当对器件施加电压时，离子从离子储存层脱出，通过电解质层的传输在电致变色层的表面与电子结合，使电致变色材料发生价态改变，从而导致整个窗户发生颜色的改变。而且这种颜色变化是很稳定的，只有再次通电才会改变。

图三 电致变色窗的结构及工作原理

那么窗户发生颜色改变有什么用呢？想象一下，在烈日炎炎的夏天，窗户可以通过改变颜色帮你阻挡强烈的阳光，节省室内空调制冷的消耗。在寒风瑟瑟的冬天，它可以阻止室内积累的热量通过玻璃流失，达到冬暖夏凉的目的。在你享受适宜温度的同时，还能透过蓝色的玻璃去欣赏外面的世界，岂不美哉！而且电致变色智能窗每平方米所需的变色能耗低至12瓦特，世界能源组织通过计算表明，采用智能变色窗作为玻璃幕墙的建筑可以降低整个建筑20%的运行成本，24%的峰值用电需求以及25%的暖通空调系统负载。所以我们的电致变色智能窗在保持美观舒适的前提下，还能使建筑能耗大大降低，从而达到节能减排的目的。实在是一举多得呀！

图四 着色态和褪色态电致变色智能窗工作示意图

还有一个问题！会变色的玻璃不止电致变色玻璃，还有光致变色、热致变色以及液晶玻璃。那么我们的电致变色技术与其他变色技术相比有什么优势呢？光致变色和热致变色属于被动型变色组件，简单来说即它们是根据外界的光线和热量自行调控的，并不能随心所欲的由用户控制。而电致变色具有主动变色性质，这意味着你可以随时根据你的需要动态的调整窗户的颜色来控制光线的强弱。液晶玻璃虽然也有主动调控性，但液晶的工作原理是液晶分子在通电状态下呈直线排列，这时液晶玻璃透光且透明；断电状态时，液晶分子呈散射状态，这时候液晶膜透光但不透明。这意味着液晶玻璃需要不断消耗能源来维持玻璃的透明状态，而且液晶玻璃并不能随心所欲的停留在某一个变色中间态。这样看来电致变色技术真是好处多多呀！

图5 液晶玻璃工作原理

此外，电致变色技术除了应用于电致变色智能窗领域，还广泛应用于汽车防炫后视镜，飞机眩窗，汽车天窗，显示器件及手机外壳等领域。你身边随处可见的事物，可能就暗藏着电致变色技术哦~请多多留意！

参考文献

Sbar N L, Podbelski L, Yang H M, et al. Electrochromic dynamic windows for office buildings[J]. International Journal of sustainable built environment, 2012, 1(1): 125-139.

Wang Z, Wang X, Cong S, et al. Towards full-colour tunability of inorganic electrochromic devices using ultracompact fabry-perot nanocavities[J]. Nature communications, 2020, 11(1): 1-9.

冯博学,陈冲,何毓阳,伞海生,王君,刘金良,唐为国.电致变色材料及器件的研究进展[J].功能材料,2004(02):145-150.

https://www.smartglassinternational.com/

https://www.sageglass.com/en

https://www.tunox.ru/de/