氧化钨基电致变色与能量存储双功能器件研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所) | 被引量 : 1次 | 上传用户:whbin139
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电致变色与能量存储双功能器件是一种新型光电器件,其在节能和储能领域具有广阔应用前景,近年来成为学术界和产业界的关注热点之一。本论文以构造高性能电致变色与能量存储双功能器件为目的,围绕三氧化钨电极材料的改性制备及其电极材料匹配展开了深入研究,其主要研究内容与结果如下:(1)电沉积钼掺杂三氧化钨薄膜的制备与应用。适宜的异原子掺杂是一种常见的材料改性手段,被证明能有效提高材料电导率、增加材料表面电化学活性位点,从而有利于提升材料电化学性能。然而对于三氧化钨薄膜材料,目前所报道的材料掺杂方式一般涉及高温高压过程,操作复杂,不利于大规模制备。为解决该难题,本研究发展了一种制备钼掺杂三氧化钨薄膜的脉冲电沉积方法,该方法具有简便经济、可在室温常压下进行、可重复性高等的优点,具有较高实用价值。通过该方法制备出钼原子掺杂量可控的一系列钼掺杂氧化钨薄膜,并发现钼钨原子比为2%的薄膜展现出优异的电致变色和赝电容性能:在633 nm处的光学调制范围为83.3%,着褪色的转换时间分别为1.9 s和2.1 s,面积电容值为117.1mF cm-2。这些性能均相较未掺杂三氧化钨薄膜有着较大提升。进一步地,以该2at.%钼掺杂三氧化钨薄膜作为电极,以普鲁士蓝薄膜作为对电极制备出性能优异的电致变色与能量存储双功能器件。该器件可在蓝色和透明之间可逆转变,在633 nm处的光学调制窗口为64.1%,并拥有着良好的赝电容性能,其面积电容值大于5 mF cm-2。(2)具有“全黑-透明”转变的电致变色与能量存储双功能器件的制备。近年来,非对称电极的使用被认为可以有效提升电致变色与能量存储双功能器件的光电性能,但是对于如何匹配非对称电极活性材料缺乏深入认识与专门讨论,亟待进一步研究。在本研究中,首先采用电沉积的钼掺杂三氧化钨薄膜与二氧化锰纳米片薄膜作为非对称电极成功构造出光电化性能优异的电致变色与能量存储双功能器件。该器件具有独特的“全黑-透明”电致变色性能,其在全可见光波段都拥有着超过60%的光学调制窗口。此外,该器件工作电压窗口和面积电容分别高达2 V、19.1 mF cm-2,均为目前文献报道最大值。随后,基于该器件的成功制备提出构造高性能电致变色与能量存储双功能器件非对称电极的通用策略:选取具有互补电致变色性能的非对称电极材料能够提升器件的整体电致变色性能;选取具有相似赝电容以及非重叠电位窗口的非对称电极材料有利于增加器件的赝电容以及扩展器件的工作电位窗口。综上所述,本研究采取元素掺杂、纳米形貌控制、采取非对称电极设计等的策略使用经济简便的方法成功制备出多种性能优异的电致变色与能量存储双功能器件,并提出制备高性能器件的通用策略。本研究对于推动电致变色与能量存储双功能器件的实际应用具有重要价值。
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