新一代节能玻璃技术——电致变色玻璃的原理

你有没有过这样的一天，太阳不知道它是来了还是走了，提示你不断地打开和关闭你的百叶窗，这样你就可以阅读你的计算机 屏蔽还是阻止你的作品褪色？不久我们就会把这个特殊的问题载入史册，这要感谢电致变色玻璃(“智能”玻璃)，按下一个按钮，它就会从亮变为亮(从透明变为不透明)并再次变回亮。相对来说，它非常简单，非常方便(不要再推诿了！)并且拥有巨大的环境的 好处。它到底是如何工作的？让我们仔细看看！

忘记窗帘，忘记百叶窗！由电致变色玻璃制成的“智能窗户”可以从透明变成不透明，只需轻轻一按开关又会变回透明。有些是由特殊玻璃制成的；有些是加在普通玻璃上的塑料薄膜。

什么是电致变色玻璃？

玻璃是一种神奇的材料，如果没有它，我们的建筑室内将是黑暗、阴暗、寒冷和潮湿的。但它也有缺点。它进来了光和热即使你不想要它。在一个令人眼花缭乱的夏日，进入你的建筑的热量(“太阳能增益”)越多，你就越需要使用你的空调可怕的浪费活力这既花了你的钱，也保护了环境。这就是为什么大多数家庭和办公室的窗户都装有窗帘或百叶窗。如果你从事室内设计和改造，你可能会认为像这样的家具既漂亮又有吸引力——但是用冰冷、实用、科学的术语来说，它们很讨厌。老实说:窗帘和百叶窗是一种技术上的缺陷，用来弥补玻璃巨大的内在缺陷:即使你不希望它透明(或半透明)，它也是透明的。

自20世纪初以来，人们已经习惯了建筑越来越自动化的想法。我们有电灯洗衣机,洗碗机,真空吸尘器还有更多。那么，为什么不给我们的家装上电动窗户呢？电动窗户可以自动从清洁变成工作。智能窗户(也称为智能玻璃、可切换窗户和动态窗户)正是利用一种叫做电致变色，其中当应用电压穿过它们。典型的智能窗户开始是蓝色的，当电流通过时(几分钟内)逐渐变得透明。

图:电致变色玻璃在电控下变色:左:这里是透明的，看起来很像普通玻璃；右:施加一个小电压，它会变得不透明(发蓝和黑暗)。沃伦·格雷茨提供的照片美国能源部/国家可再生能源实验室(能源部/NREL)。

电致变色玻璃是如何工作的？

有相当多不同类型的电致变色玻璃:有些只是变暗(比如光致变色太阳镜，在阳光下会变暗)，一些变暗并变成半透明，而另一些变得像镜子一样不透明。每种类型都由不同的技术提供动力，我在这里只详细描述其中一种:最初的技术，由Satyen K. Deb博士于1969年发现，基于锂离子在过渡金属氧化物(如氧化钨)中的运动。[1](你可能知道，锂是可充电电池中最著名的化学元素锂离子电池。)

普通的窗户是由一块垂直的玻璃制成的，双层玻璃窗有两块玻璃，中间有一个空气间隙绝热和消声(保持热量和噪音在一边或另一边)。更复杂的窗口(使用低辐射热反射玻璃)都涂上了一层薄薄的金属化学物质，所以它们能让你的家冬暖夏凉。电致变色窗的工作原理有点像这样，只是它们使用的金属氧化物涂层要复杂得多，并且是通过类似于制造中使用的工艺来沉积的集成电路(硅电脑芯片)。

虽然我们经常谈论“电致变色玻璃”，但像这样的窗户可以由玻璃或塑料(技术上称为“基底”，或基底材料)制成，通过称为溅射(一种将一种材料的薄膜添加到另一种材料上的精确方法)的工艺涂上多层薄膜。在它的内表面(面向你的家)，窗户有一个由五个超薄层组成的双层夹层:中间有一个隔板，隔板两侧有两个电极(薄电触点)，电极两侧有两个透明电触点层。基本工作原理涉及锂离子(带正电荷的锂原子—缺少电子)通过隔板在两个电极之间来回迁移。正常情况下，当窗口是透明的，锂离子位于最里面的电极(在图的左边，你可以在这里看到)，它是由类似锂钴氧化物(LiCoO2).当一个小电压加到电极上时，离子通过隔板迁移到最外面的电极(图中右边的那个)。当它们“浸泡”到该层中时(该层由类似多晶氧化钨的东西制成，WO3)，它们使它反射光线，有效地使它变得不透明。它们独自留在那里，直到电压反转，导致它们向后移动，因此窗户再次变得透明。不需要电力来维持电致变色窗的清晰或黑暗状态——只需要将它们从一种状态改变到另一种状态。

火辣的东西！这种热(红外线的)图片显示了当你把车停在阳光直射的地方时，它有多热:颜色表示温度，红色和黄色最热，蓝色最冷。安装在汽车上的电致变色玻璃可能有助于解决这个问题。当你停车的时候，你只需要轻轻一按开关就可以让车窗变暗，当你回来的时候，车会变得又好又酷！照片礼仪美国能源部。

缺点

众所周知，印刷有电极和奇特金属涂层的玻璃安装成本将是普通玻璃的几倍:一扇大型智能窗户通常每平方英尺约500-1000美元(约500-1000美元)。还有关于这种材料有多耐用的问题，目前的玻璃在10-20年后性能会下降(比大多数房主从传统玻璃中预期的寿命要短得多)。当前窗口的另一个缺点是从透明到不透明再到透明需要时间。一些技术可能需要几分钟的时间(Halio为其玻璃报价三分钟从透明到完全变暗)，尽管粘贴式电致变色薄膜的速度要快得多，从透明到不透明的变化不到一秒钟。

未来智能windows将如何改进？

另一种可能是将电致变色窗户和太阳能电池这样黑暗的智能窗户就可以吸收这些能量并储存起来以备后用，而不是无用地反射走阳光。很容易想象窗户在白天捕捉一些落在上面的太阳能并储存起来电池它可以在晚上给你家里的灯供电，当然，一个窗户不可能是100%透明的，同时也是100%高效的太阳能电池板。传入的能量要么通过玻璃传递，要么被吸收和储存，但不是两者都有。一个兼作太阳能电池的窗口可能会涉及到双方的妥协:它将是一个相对较暗的窗口，即使它是透明的，并且在捕获能量方面比一个好的太阳能电池效率低得多。

有一点我们可以肯定的是，未来会看到更多的电致变色技术！