溶液法制备柔性钨基电致变色薄膜及器件

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我国的“碳达峰”和“碳中和”庄严承诺为电致变色技术发展提供了新契机。电致变色器件作为一种节能型光电器件,在室温调控、信息显示、能源存储等诸多领域备受关注,是低碳技术推广的热点。钨系电致变色薄膜和器件因其材料稳定可靠、高性能,是市场的主流选择。随着市场对大尺寸、轻薄柔性的电致变色需求不断扩大,当前柔性钨系电致变色薄膜高度依赖真空生产工艺,成本因素成为制约电致变色技术深入人们日常生活的主要矛盾。同时,消费市场对电致变色产品快速迭代提出了更高的要求,电致变色仿真理论的发展有力支撑了电致变色器件开发和优化,然而现有的仿真模型存在物理基础不清晰、多场耦合度弱、理论和实验偏差大等问题,大大降低了仿真的准确性。溶液法工艺是解决薄膜制备成本问题的有效途径,并且可以与印刷电子技术结合,符合未来电子器件发展的趋势。本研究的主要内容包括:满足低温性能活化需求的溶液体系开发与成膜优化,低温退火工艺研究,溶液法柔性电致变色器件制备及电致变色性能研究,以及在该溶液体系基础上对氧化钨(WO3)电致变色机理的研究,新型电致变色仿真模型的开发与实验对比验证。主要研究成果如下:(1)提出结晶过程吉布斯自由能调控策略:通过调节溶液碱性使偏钨酸根团簇解离,从而减小晶核的初始尺寸,使结晶的吉布斯自由能大于0,从而抑制其结晶,实现了非晶态钨酸盐薄膜制备。研究了溶液的粘度、表面张力调控因素,获得了匹配喷墨打印的溶液特性,并优化了喷墨打印成膜工艺参数。与结晶钨酸盐薄膜相比,非晶钨酸盐薄膜具有高均匀性的薄膜形貌,薄膜粗糙度从8.39 nm减少到0.36 nm,同时电致变色调制能力从14.8%提升至46.2%。非晶钨酸盐薄膜的电致变色着色响应和褪色响应时间分别为2.8 s和10.4 s。(2)引入低温紫外光(UV)退火工艺,利用高能光子将薄膜内残余的有机成分分解去除,增强薄膜结合的稳定性。同时依托钨酸盐材料固有的共价成分属性,实现了钨酸盐电致变色薄膜低温(<70°C)性能活化,研究了UV退火对薄膜成分和电致变色特性影响。在此基础上,成功制备了非晶钨酸盐电致变色薄膜及器件,在10 mm半径下经过1000次弯曲,器件电致变色调制能力基本保持。(3)基于溶液法钨系前驱体溶液制备了WO3薄膜,研究了WO3电致变色过程的动力学过程,发现了WO3连续电子转移机制。在该物理基础上,修正了传统的单电子转移WO3电致变色动力学仿真模型,并创新地提出电荷-透射率耦合计算方法,最终建立了WO3薄膜电致变色仿真模型。仿真的电流曲线和透射率的形状和趋势与实验相似。仿真的透射率调制和电致变色响应时间与实验结果基本一致。根据模型机理对长时间褪色过程进行了预测,预测的透射率与实验值相差小于5%。
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