一种智能窗论文和设计-唐秀凤

全文摘要

本实用新型涉及一种智能窗，包括第一导电层、第二导电层、储能层、变色层、电解质层、导电线和透光层；所述第一导电层和所述第二导电层位于同一平面上并且相互绝缘；所述储能层覆盖于所述第一导电层的上表面，所述变色层覆盖于所述第二导电层的上表面；所述储能层和所述变色层之间相互绝缘；所述电解质层同时覆盖于所述储能层和所述变色层的上表面；所述透光层覆盖于所述电解质层上表面；所述导电线与所述第一导电层和所述第二导电层电连接，且通过一开关控制所述导电线的连通或断开。本实用新型的智能窗具有结构简单、无污染、使用能耗低的优点；且具有能量存储和放电能力，可以对外接电路中的电学元件做功，用于供电供热等。

主设计要求

1.一种智能窗，其特征在于：包括第一导电层、第二导电层、储能层、变色层、电解质层、导电线和透光层；所述第一导电层和所述第二导电层位于同一平面上并且相互绝缘；所述储能层覆盖于所述第一导电层的上表面，所述变色层覆盖于所述第二导电层的上表面；所述储能层和所述变色层之间相互绝缘；所述电解质层同时覆盖于所述储能层和所述变色层的上表面；所述透光层覆盖于所述电解质层上表面；所述导电线与所述第一导电层和所述第二导电层电连接，且通过一开关控制所述导电线的连通或断开。

设计方案

2.根据权利要求1所述的智能窗，其特征在于：所述第一导电层和所述第二导电层分别与一外电源电连接，且所述第一导电层连接负极，所述第二导电层连接正极。

3.根据权利要求1所述的智能窗，其特征在于：第二导电层的两侧边分别与一外电源电连接。

4.根据权利要求1所述的智能窗，其特征在于：所述变色层为无机电致变色材料层。

5.根据权利要求1所述的智能窗，其特征在于：所述储能层为富含锂的材料层。

6.根据权利要求1所述的智能窗，其特征在于：所述储能层为磷酸铁锂材料、或钴酸锂材料、或锰酸锂材料。

7.根据权利要求1所述的智能窗，其特征在于：所述电解质层为凝胶态电解质层或液态电解质层。

8.根据权利要求1所述的智能窗，其特征在于：所述电解质层为含锂离子的有机溶剂，或是含氢离子、或钠离子、或钾离子、或铝离子的水溶液。

9.根据权利要求1所述的智能窗，其特征在于：还包括电学元件，所述电学元件与所述开关串接。

10.根据权利要求1所述的智能窗，其特征在于：所述第一导电层和所述第二导电层为透明导电TCO薄膜、ITO导电玻璃、碳纳米管CNT薄膜、石墨烯薄膜或银纳米线薄膜的一种或几种的复合。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及电致变色领域，尤其涉及一种智能窗。

背景技术

电致变色材料是一种在外接电刺激下可以发生稳定可逆的颜色变化，同时具有光学调制能力的一种智能材料。以电致变色材料为核心层，匹配相应的电解质层和对电极层组装可以得到三明治结构的电致变色器件，它可以应用于建筑等的装配窗(也称智能窗)、显示器、文件加密以及变色眼镜等领域。

根据发明“一种基于锂离子三维运动的电致变色器件及其应用”(公开号为CN108319089A，公开日为2018年7月24)，请参见图1，图1为基于锂离子三维运动的电致变色器件的结构示意图。所述电致变色器件自上而下依次包括上透明电极层1、电解质层2、变色层3和下透明电极层4，每一层结构相互平行叠放设置，所述上透明电极层1和下透明电极层4之间的相对空隙中使用粘结剂5进行封装。所述上透明电极层1和下透明电极层4之间连接第一外电路，用以提供初始化电压U_{1<\/sub>，U_{1<\/sub>的方向为上透明电极层1指向下透明电极层4。所述下透明电极层2的两端连接第二外电路，用以提供横向工作电压U_{2<\/sub>，U_{2<\/sub>的方向平行于下透明电极层2。}}}}

其工作过程通常包括以下三步：(1)在上下两层透明电极层之间施加初始化电压U_{1<\/sub>，电解质层2中的锂离子从电解质层2注入至变色层3，使变色层3均匀着色，透光率下降，处于初始化状态；(2)撤去初始化电压U_{1<\/sub>，在下透明电极层4的两端施加横向工作电压U_{2<\/sub>，变色层3中的锂离子在变色层3内迁移，使变色层3的一部分区域透光率增大，为褪色态，另一部分区域透光率下降，为深着色态；(3)撤去横向工作电压U_{2<\/sub>，变色层的深着色态区域的锂离子往褪色态区域扩散，使变色层恢复均匀着色的状态。}}}}

上述基于锂离子三维运动的电致变色器件可以使锂离子在电解质层和变色层中三维运动，以实现智能调光。通过在上透明电极层和下透明电极层之间施加初始化电压，锂离子从电解质层注入至变色层，使得变色层均匀着色，故该过程需要设置上透明电极层及初始化垂直电压U_{1<\/sub>，通过垂直电压U_{1<\/sub>使活性离子的注入和抽出均在竖直方向进行，其结构复杂、使用成本高昂，且存在不能储存能量、导致能量损耗的问题，极大的限制了电致变色器件大范围商业化应用。}}

实用新型内容

基于此，本实用新型的目的在于，克服现有技术中的缺点和不足，提供一种结构简单、使用能耗低的智能窗。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：一种智能窗，包括第一导电层、第二导电层、储能层、变色层、电解质层、导电线和透光层；所述第一导电层和所述第二导电层位于同一平面上并且相互绝缘；所述储能层覆盖于所述第一导电层的上表面，所述变色层覆盖于所述第二导电层的上表面；所述储能层和所述变色层之间相互绝缘；所述电解质层同时覆盖于所述储能层和所述变色层的上表面；所述透光层覆盖于所述电解质层上表面；所述导电线与所述第一导电层和所述第二导电层电连接，且通过一开关控制所述导电线的连通或断开。

本实用新型的智能窗是基于在同一平面上设置储能层和变色层而设计的，将传统三明治结构的智能窗扁平化成为肩并肩结构的智能窗，其不需要设置上透明电极层及初始化垂直电压，而不受垂直电压使活性离子的注入和抽出均在竖直方向进行的限制，而是通过储能层和变色层之间的锂离子浓度差，引起锂离子通过电解质层自由扩散至变色层，以实现变色层调光的目的，即变色层由浅色逐渐变深色，透光率逐渐下降。

由此，相对于现有技术，本实用新型对智能窗进行了平面化设计，提高了器件的集成度，有利于其柔性化设计，而且智能窗结构简单，使用成本低廉、节能环保。在智能窗、显示器、文件加密等领域具有较好的应用前景。

进一步地，所述第一导电层和所述第二导电层分别与一外电源电连接，且所述第一导电层连接负极，所述第二导电层连接正极。

在外加工作电压的作用下，变色层中的锂离子在电流的驱动下通过电解质层返回到储能层中再次储存起来，同时变色层由深色逐渐变浅色，透光率增大，该过程为变色层的褪色过程；同时为储能层的充电过程。

或者，第二导电层的两侧边分别与一外电源电连接。

通过施加横向工作电压，使锂离子在变色层内往负电极一侧运动，使得变色层一部分区域透光率增大，为褪色态，另一部分区域透光率下降，为深着色态；撤去横向工作电压，变色层的深着色态区域往褪色态区域扩散，直到整个变色层处于均匀着色状态。可实现锂离子在变色层中水平迁移，以实现灵活智能调光。

进一步地，所述变色层为无机电致变色材料层。

进一步地，所述储能层为富含锂的材料层。通过富含锂的材料制备储能层，在外接电路和电解质层的协助作用下，储存和释放锂离子，为变色层的调光提供条件。

进一步地，所述储能层为磷酸铁锂材料、或钴酸锂材料、或锰酸锂材料。

进一步地，所述电解质层为凝胶态电解质层或液态电解质层。为锂离子在储能层和变色层之间提供离子迁移通道。

进一步地，所述电解质层为含锂离子的有机溶剂，或是含氢离子、或钠离子、或钾离子、或铝离子的水溶液。

进一步地，还包括电学元件，所述电学元件与所述开关串接。所述电学元件可以为灯泡、或其它需要消耗电能的负载；通过储能层与变色层之间的电势差，可以为该电学元件供电供热。

进一步地，所述第一导电层和所述第二导电层为透明导电TCO薄膜、ITO导电玻璃、碳纳米管CNT薄膜、石墨烯薄膜或银纳米线薄膜的一种或几种的复合。

为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本实用新型。

附图说明

图1为基于锂离子三维运动的电致变色器件的结构示意图。

图2为实施例1的智能窗的结构示意图。

图3为智能窗模型去除透光层后的结构示意图。

图4为智能窗模型着色过程的实物照片。

图5为智能窗模型褪色过程的实物照片。

图6为智能窗模型着色过程中储能层的放电电流曲线。

图7为智能窗模型储能层的充电和放电电压曲线。

图8为实施例2的智能窗的结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1

请参阅图2，图2为实施例1的智能窗的结构示意图，本实用新型的智能窗100包括基板(图未示)、第一导电层11、第二导电层12、储能层21、变色层22、电解质层30、透光层40、封装层50、第一绝缘断面61、第二绝缘断面62和导电线(图未示)；所述第一导电层11和所述第二导电层12设置在一基板(图未示)的同一面上并且通过第一绝缘断面61相互绝缘；所述储能层21覆盖于所述第一导电层11的上表面，所述变色层22覆盖于所述第二导电层12的上表面；所述储能层22和所述变色层23之间通过第二绝缘断面62相互绝缘；所述电解质层30同时覆盖于所述储能层21和所述变色层22的上表面；所述导电线分别与所述第一导电层11和所述第二导电层12电连接，并通过一开关(图未示)控制所述导电线的连通或断开；所述透光层40覆盖于所述电解质层30的另一表面；所述封装层50填充于所述储能层21、所述变色层22和所述电解质层30的外侧边，且位于所述透光层40与所述第一导电层之间11、以及所述透光层40与第二导电层12之间的相对空隙中。所述智能窗100还包括电学元件(图未示)，所述电学元件与所述开关串接。所述电学元件可以为灯泡、或其它需要消耗电能的负载。

所述智能窗100通过一外电路与所述第一导电层11和所述第二导电层12电连接，并向其提供电压U1，该工作电压U1优选为3～20V，所述第一导电层11连接负极，所述第二导电层12连接正极。在外加工作电压的作用下，变色层中的锂离子在电流的驱动下通过电解质层返回到储能层中再次储存起来，同时变色层由深色逐渐变浅色，透光率增大，为褪色态，该过程为充电过程。

另外，所述第一导电层11和第二导电层12优选为透明导电TCO薄膜、ITO导电玻璃、碳纳米管CNT薄膜、石墨烯薄膜或银纳米线薄膜的一种或几种的复合。

所述储能层21优选为富含磷酸铁锂、或钴酸锂、或锰酸锂的材料层。通过富含锂的材料制备储能层21，在外接电路和电解质层30的协助作用下，储存和释放锂离子，为变色层22的调光提供条件。

所述变色层22为无机电致变色材料层，优选为三氧化钨薄膜、或氧化钛薄膜、或氧化钒薄膜等金属氧化物薄膜。

所述电解质层30为凝胶态电解质层或液态电解质层，主要含有变色阳离子。优选为含锂离子的有机溶剂，或是含氢离子、或钠离子、或钾离子、或铝离子的水溶液。所述电解质层30为锂离子在储能层21和变色层22之间提供离子迁移通道。所述变色阳离子即指氢离子、钠离子、钾离子、铝离子等。

所述透光层40为普通钠钙硅玻璃。

所述封装层50优选为UV胶。使本实用新型的智能窗100形成一封闭空间。

本实施例的工作过程大致分为(1)着色过程和(2)褪色过程，具体工作原理如下：

(1)着色过程：初始状态时，储能层21中储存着高浓度的锂离子，在储能层21和变色层22没有电连通时，储能层21与变色层22之间没有电子流动，储能层21中锂离子不会迁移至变色层22中。当需要智能窗100透光率降低时，即关窗时，闭合开关A1，在浓度差的作用下，储能层21中的锂离子通过电解质层30向变色层22扩散，储能层21中的电子通过导电线从储能层21流向变色层22，所以变色层22的颜色逐渐变深，透光率下降，该过程为变色层22的着色过程；同时为储能层21的放电过程，可以为外接电路中的灯泡B供电。

当变色层22的透光率满足要求时，断开开关A1，智能窗100的深着色态即可保持，同时对灯泡B的供电停止。

(2)褪色过程：当需要智能窗100透光率升高时，即开窗时，闭合开关A2；根据锂离子可以在电解质层30中能传递、而电子不能在电解质层30中传递的特性，需同时将第一导电电极81和第二导电电极82电连通，且施加电压U1，本实施例中工作电压U1为4V，使第一电极81连接负极，第二电极82连接正极，此时变色层22中的电子通过导电线流向储能层21，变色层22中的锂离子在电流的驱动下通过电解质层30返回到储能层21中再次储存起来，同时变色层22由深色逐渐变浅色，透光率增大，该过程为变色层22的褪色过程；同时为储能层21的充电过程。

当变色层22的透光率满足要求时，撤去工作电压U1，断开开关A2，智能窗的褪色态即可保持。

智能窗100的着色程度与其作用时间长短有关，作用时间越长，着色程度越大，与初始化状态的颜色差别越大。所述变色层的初始化状态、褪色态和深着色态的透光率大小关系为：褪色态透光率>初始化状态透光率>深着色态透光率。

当智能窗100性能进一步优化，比如增大尺寸，改变储能层21或变色层22的材料等，即可实现对外接电路中的灯泡、或其它需要消耗电能的负载等供电等。

为进一步说明本实施例的结构关系，发明人制作了一个智能窗模型，请参阅图3，图3为上述智能窗模型去除透光层后的结构示意图。图3中在第一导电层的左端设置第一导电电极81，右端设置第一引线91；在第二导电层的左端设置第二导电电极82，右端设置第二引线92。且在第一引线91与第二引线92之间外接一电路，该外电路包括两个并联的开关A1和A2，其中开关A1串联有一灯泡B。在第一导电电极81和第二导电电极82之间外接一电源，用以提供工作电压U1。所述第一引线91和所述第二引线92为普通导电线或导电胶。另外，设置储能层21为钴酸锂材料层，变色层22为WO_{3<\/sub>薄膜，电解质层30为1％的盐酸水溶液，透光层40为普通钠钙硅玻璃，第一导电层11和第二导电层12为ITO导电玻璃衬底，封装层50为UV胶。}

请同时参阅图4和图5，图4为上述智能窗模型着色过程的实物照片，图5为智能窗模型褪色过程的实物照片。

如图4(a)～4(c)所示，在智能窗100着色过程中，变色层22的颜色逐渐变深。

如图5(a)～5(c)所示，在智能窗100褪色过程中，变色层22的颜色逐渐变浅。

请参阅图6，图6为上述智能窗模型着色过程中储能层的放电电流曲线，如图所示，在变色层22的着色过程中，即储能层21放电时，随着着色过程的作用时间越来越长，外接电路中流通的电流越来越小。

请参阅图7，图7为上述智能窗模型储能层的充电和放电电压曲线。在储能层22充电时，即变色层22褪色过程中，随着褪色过程的作用时间越来越长，储能层21与变色层22之间的电势差越来越大；在储能层21放电时，即变色层21着色过程中，随着着色过程的作用时间越来越长，储能层21与变色层22之间的电势差越来越小，直至趋于平衡。

基于上述实施例1智能窗的结构，本实施例还提供了一种智能窗的制造方法，包括以下步骤：

S1-1：在一基板(图未示)的上表面分别设置第一导电层11和第二导电层12，并且在第一导电层11和第二导电层12之间设置第一绝缘断面61使其相互绝缘；

S1-2：在第一导电层11和第二导电层12的不同位置分别制备电极(图未示)，且该电极不与储能层21和变色层22接触；

S2：通过掩膜法，在所述第一导电层11的上表面形成储能层21，在所述第二导电层12的上表面形成变色层22；并且在所述储能层21和所述变色层22之间设置第二绝缘断面62使其相互绝缘；

S3：在所述储能层21和所述变色层22的上表面涂覆含有变色阳离子的电解质层30，且该电解质层30不与电极接触；

S4：用一导电线将所述第一导电层12和所述第二导电层12上的电极电连接，且通过一开关控制所述导电线的连通或断开。

S5：在所述电解质层30的另一表面覆盖透光层40。

S6：在所述储能层21、所述变色层22和所述电解质层30的外侧边，且位于所述透光层40与所述第一导电层12之间、以及所述透光层40与所述第二导电层22之间的相对空隙中填充封装层50。

相对于现有技术，本实用新型的智能窗是基于在同一平面上设置储能层和变色层而设计的，将传统三明治结构的智能窗扁平化成为肩并肩结构的智能窗，其不需要设置上透明电极层及初始化垂直电压，而不受垂直电压使活性离子的注入和抽出均在竖直方向进行的限制，而是通过储能层和变色层之间的锂离子浓度差，引起锂离子通过电解质层自由扩散至变色层。这个过程中一方面可以实现变色层的颜色逐渐加深、透光率逐渐下降的调光功能，另一方面储能层放电，可以给外接负载供电。然后，在外加电压的驱动下使锂离子从变色层再次返回储能层中储存起来，以实现变色层的颜色逐渐变浅、透光率逐渐上升的调光功能，同时为储能层充电。

因此，本实用新型对智能窗进行了平面化设计，提高了器件的集成度，有利于其柔性化设计。而且具有结构简单、采用无污染的水性电解质也可以实现的优点，仅需在将锂离子从变色层驱赶回储能层时，才利用外接电源的电流做功，故使用能耗低；且具有能量存储和放电能力，可以对外接电路中的负载做功，用于供电供热等；故使用成本低廉、节能环保。在智能窗、显示器、文件加密等领域具有较好的应用前景。

实施例2

本实施例2与实施例1的结构基本相同，其区别在于智能窗变色层调色结构的不同。具体请参阅图8，图8为实施例2的智能窗的结构示意图，该实施方式是将第二导电层的两侧边分别与一外电源电连接，用以提供横向工作电压U2。

本实施例中图8所述智能窗100的工作过程大致分为(1)着色过程和(2)调色过程，工作原理如下：

(1)着色过程：本实施例中的着色过程与实施例1中的着色过程的工作原理相同，此处省略，不再赘述。

(2)调色过程：当需要调节智能窗100褪色态区域与深着色态区域的面积比例时，在第二导电层12的两侧边分别与一外电源电连接，用以提供横向工作电压U2。在U2的驱动下，锂离子在变色层22内朝着负极一侧迁移，使变色层22的一部分区域透光率增大，为褪色态，另一部分区域透光率下降，为深着色态。褪色态区域与深着色态区域的面积比例分别与横向工作电压U2的大小和其作用时间长短有关，工作电压越大、作用时间越长，褪色态区域与深着色态区域的面积比例则越大，优选U2为3～50V。所述变色层22的初始着色态、褪色态和深着色态的透光率大小关系为：褪色态透光率>初始着色态透光率>深着色态透光率。当需要调节智能窗100恢复为初始着色状态时，撤去横向工作电压U2，变色层22的深着色态区域的锂离子往褪色态区域扩散，使变色层22恢复均匀初始着色的状态。

相对于实施例1：本实施例2是发明人为了使变色层的不同区域展现不同程度的着色状态，并进一步提高智能窗调光的灵活性而设计。仅需在使锂离子在变色层内做横向运动时，才利用外接电源的电流做功，故使用能耗低。本实用新型的智能窗提高了器件的集成度，有利于其柔性化设计，在智能窗、显示器、文件加密以及变色眼镜等领域具有较好的应用前景。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。

设计图

一种智能窗论文和设计

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主设计要求

设计方案

设计说明书

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