製造電致變色智能窗戶的新技術：更簡單、更經濟！

導讀

近日，加拿大不列顛哥倫比亞大學（UBC）化學研究員們開發出電致變色智能窗戶更簡單、更經濟的新製造技術，將為這項節能技術大規模應用鋪平道路。

背景

近年來，節能環保日益受到廣泛重視。但是，讓我們感到不可思議的是：傳統的玻璃窗讓我們的建築浪費掉了許多能量。

原因很簡單：寒冷的冬日，窗戶將大量的太陽輻射能量擋在了外面，室內的取暖會耗費大量的能量；酷熱的夏天，窗戶又無法有效阻擋太陽輻射能量進入室內，室內製冷也會耗費大量的能量。

然而，一項前沿科技：智能窗戶（Smart
window），可以幫助我們解決這個問題。它可以動態調節太陽輻射能的透過率，例如：天熱的時候，窗戶變暗，達到室內的太陽輻射能會減少；天冷的時候，窗戶變透明，到達室內的太陽輻射能會增加。物聯網時代，智能窗戶還可以通過智能設計，自動完成變色過程。

之所以智能窗戶能感知外界光線變化並作出反應，是因為它依靠特殊的材料，這些材料主要可分類為：電致變色、光致變色、熱致變色。簡單說，它們會隨著電、光、熱等外界條件變化，改變自身顏色和透光特性。

其中，電致變色材料的應用尤為突出，也是筆者之前重點關注的技術。電致變色，是指材料的光學特性，在外部電場作用下發生穩定、可逆的顏色變化的現象，在外觀上表現為顏色和透明度的可逆變化。

舉兩個有關電致變色材料的典型案例：美國德克薩斯大學奧斯汀分校研究人員利用摻雜氧化鈮的二氧化鈦納米晶體材料，動態控制太陽輻射能的透過率；美國哥倫比亞大學科學家開發的新型相變光學材料SmNiO3，經過電調諧後，這種材料可以在更寬的波長和調製幅度範圍內，動態地控制光線。

除了智能窗戶，電致材料還有許多其他的應用，例如：反紅外偵察，人員和汽車通過覆蓋這種材料，將變得比實際上更「冷」，讓熱成像夜視攝影機無法識別；航天器應用，調整對於太陽明暗面的相對熱輻射，降低衛星上的原本較大的溫度梯度，延長衛星的生命周期；汽車後視鏡應用，當身後汽車的車頭遠光照射時，通過電致變色材料，自動將光線轉化為暗藍色，避免強光對於司機的影響，保證行車安全；此外，還有光學存儲器件、光通信、眼鏡、智能衣服等應用。

創新

然而，對於電致變色智能窗戶的大規模應用來說，成本和量產製造是非常關鍵的因素。近日，加拿大不列顛哥倫比亞大學（UBC）化學研究員們開發出電致變色智能窗戶更簡單、更經濟的新製造技術，將為這項節能技術大規模應用鋪平道路。

（圖片來源：參考資料【2】）

技術

智能窗戶對於降低建築能耗來說，是一項非常有前途的技術。UBC 的化學教授 Curtis Berlinguette 表示：「傳統的窗戶浪費掉了建築中的加熱、通風和空調的總能量的三分之一，智能窗戶技術為降低這些損耗提供了機遇，但是主要挑戰在於找到讓這些窗戶更加便宜的途徑。」

一般的電致變色窗戶的活性成分是：過渡金屬氧化物層。目前，電致變色玻璃公司製造這些薄膜採用的是物理沉積技術，它通常通過需要複雜的真空設備。

Wei Cheng 是該項目的領頭人，同時該項目也是他在UBC的博士後研究的一部分。通過與Berlinguette的實驗室合作，他找到了一種製造電致變色玻璃材料的新方法：基於溶液的光沉積法，合成電化學活躍的非晶金屬氧化物（WO3、 Nb2O5、 MoO3、V2O5）薄膜。

Cheng 的方法是將含有金屬離子的溶液沉積到玻璃上，然後使用紫外線將它轉化為塗覆在玻璃上的薄膜。這種薄膜完全透明，但是當通電時會變成藍色。這些非晶金屬氧化物薄膜顯示了非常先進的電化學性能。

（圖片來源：UBC）

價值

目前，智能窗戶每平方米的製造成本約為500美元到1000美元，遠遠高於傳統玻璃窗戶每平方米30美元到200美元的製造成本。這種新方法意味著，窗戶的製造無需目前方法所採用的高溫條件或者複雜的真空設備，從而降低了成本。

Cheng 說：「我們的技術創造出一種統一的動態塗覆技術，無需特殊的儀器。我們的方法另外還有一個優點，就是它兼容許多金屬，並可擴展。我們對於能夠潛在地微調這些材料的動態特性感到興奮，這將更進一步地改善性能，製造出可商用的大窗戶。」

研究人員稱，這種溶液沉積技術為實現電致變色窗戶的大規模應用，提供了一種快速、經濟、可擴展的途徑。

未來

Berlinguette 和 Cheng 將繼續通過製造出長時間穩定工作的越來越大的窗戶，來驗證這項技術。

Cheng 表示：「商用的窗戶需要持續工作許多年，我們需要證明我們的窗戶可以做到這一點。」 他也同時表示，他們正在實驗一種更加素凈的染色，讓窗戶可以變成灰色而不是藍色。

關鍵字

智能窗戶、製造工藝、電致變色

參考資料

【1】https://news.ubc.ca/2018/03/08/ubc-researchers-invent-new-method-to-create-self-tinting-windows/

【2】http://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(17)30532-6

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