通过施加电压来调节太阳辐射透过率的电致变色智能窗可以用来增强建筑物的能效。综合考虑生产成本、着色效率 (CE)、响应速度和循环稳定性，三氧化钨 (WO3) 有望成为电致变色器件 (ECDs) 大规模开发的候选材料。全固态电致变色器件可用于制造智能窗户，通过施加电压来调节太阳辐射的透射率。先前的研究表明，当H+、Li+、Na+或Al3+等插入到WO3晶格中时，与不同价态的钨离子有关的小极化子态之间的跃迁会产生光吸收，从而导致WO3的着色。外源性离子的可逆注入和萃取，受电场控制，形成了WO3基ECD的基本机理。然而，这些器件的离子扩散速度有限，导致着色和漂白过程缓慢。
1. 本工作报告了基于全固态串联结构并使用质子作为扩散物质的快速响应电致变色器件。本工作使用三氧化钨 (WO3) 作为电致变色材料，聚(3,4-乙烯二氧噻吩): 聚苯乙烯磺酸盐 (PEDOT: PSS) 作为固态质子源。这种结构表现出低对比度。
2. 本工作在PEDOT: PSS顶部添加了一个固体聚合物电解质层，它为PEDOT: PSS提供钠离子，并通过离子交换将质子泵送到WO3层。
3. 所得电致变色器件表现出高对比度（在650 nm处超过90%）、快速响应（在0.7s内着色到90%，在0.9 s内漂白到65%，在7.1 s内漂白到90%），良好的着色效率（109 cm2 C-1）和出色的循环稳定性（3000次循环后对比度下降小于10%）。本工作还制造了大面积（30×40 cm2）和柔性器件，说明了该方法的拓展潜力。
图1. 串联结构ECD的设计
要点：
1、掺杂离子的离子半径是决定ECD显色速度及其循环稳定性的关键因素。半径和质量最小的质子迁移速度比其他离子快得多，产生更高的电致变色性能 (图1a)。然而，迄今为止质子仅通过液体电解质引入。尽管基于质子的 ECD 具有优越性，但液体电解质的使用对于许多实际应用来说是有问题的。此外，如果使用质子作为插入离子，如果施加的电势超过H+/H2对的电化学电势，则会导致产生H2气体，这会造成严重的安全问题。
2、本工作发现，当脉宽进一步减小到5/16 s时，ΔT迅速下降到8%，表明响应时间在5/8~5/16 s之间。这是一个令人鼓舞的结果，因为它表明PEDOT：PSS可以在ECD中充当质子源，它可以产生与液体质子源相当的响应时间，通常在亚秒级。
3、图1c显示了五层串联结构的示意图，即ITO/SPE/PEDOT：PSS/WO3/ITO，预期的工作机理是质子是WO3层的主要插入离子，负责着色。SPE层只向PEDOT：PSS层提供Na+，但Na+并未大量扩散到WO3中。相反，Na+主要起通过离子交换过程将质子抽出。
图2. 串联结构ECD的表征
要点：
1、图2a、b所示为全固态串联结构器件示意图和扫描电子显微镜(SEM)截面图像。图2c显示了器件在不同外加电压下的照片。图2d所示为相应的透过率谱图。
2、当器件处于关断状态 (外加电压，0 V) 时，在本工作性能最好的器件中，可见光 (400~750 nm) 和近红外 (NIR) 区域 (750-1360 nm) 的透过率分别可超过90%和85%。施加1.2 V的正电压后，在可见光区和近红外区的透过率分别降低到~30%和~40%。
3、图2e显示了有无PEDOT：PSS层器件透射率的电压依赖性。显然，具有PEDOT：PSS层的器件在着色和漂白过程中均表现出两个阶段。图2f, g所示为两种器件的循环伏安 (CV) 曲线的比较，其中，在所有扫描速率下，带有PEDOT∶PSS层的器件均出现了两个氧化还原峰，表明这类器件发生了两种不同的电化学过程。相比之下，没有PEDOT：PSS层的器件只表现出单一的氧化还原峰。
图3. 串联结构ECD的性能
要点：
1、接下来本工作研究了全固态串联结构ECD的循环寿命和响应时间。实时透射光谱分别在-0.5和2.5 V下进行，每个循环周期设置为20 s，保证充分着色漂白。结果如图3a所示。可以看出，经过3000次循环后，该装置仍保留了90%以上的初始对比度。
2、图3a显示了第1000、2000和3000次循环的透射光谱，证实了循环的一致性。相比之下，传统的基于简单SPE/WO3结构的ECD不仅响应速度较慢 (~3.9 s为着色，~9.8 s为漂白) 也显示出较差的循环稳定性，这表明质子在循环过程中对晶格的损伤小于较大的Na+。
3、从图2g中还可以看出，即使着色也有两个峰。但这两个峰表现出相似的扫描速率依赖性，即具有相似的离子扩散速率，这说明图3b中的着色不存在两个阶段。作为比较，在没有PEDOT：PSS层的情况下，传统SPE/WO3结构的结果也如图3b所示。引入PEDOT：PSS层可以清楚地看到显著改善。
图4. 串联结构ECD的应用
要点：
1、全固态电子捕获器的一个主要优点是便于大规模应用的制造和封装。传统的无机电解质如LiTaO3也存在沉积速率低的问题，导致制备成本高，器件均匀性差。这里本工作串联结构设计中的聚合物基电解质可以方便地制备和放大。为了测试系统的可扩展性，本工作基于串联结构制作了10×10 cm2的窗口。
2、图4a中的照片显示了肉眼观察到的不同外加电压下着色的均匀性。记录在窗口中心和边缘670nm处的透过率变化如图4b所示。在这两个区域，透过率都从2.1和6.3 s时的90%左右下降到20%左右。图4b还比较了基于串联结构和传统结构的无PEDOT：PSS层的大面积器件。
3、透过率光谱转换的太阳辐照度如图4c，d所示，显示了更高的全太阳光谱对比度。此外，本工作还制作了一个30×40cm2的窗口。将PEDOT：PSS分散液通过喷头喷洒得到PEDOT：PSS层。然后，将薄膜在80℃下脱水12min。如图4e所示，也可以实现均匀着色。10×10 cm2的柔性ECD如图4f所示。该装置在弯曲时工作良好，显示出在全固态串联结构ECD的灵活应用方面的巨大潜力。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41928-021-00697-4
曹逊
曹逊，上海硅酸盐研究所研究员，博士生导师，古陶瓷与工业陶瓷中心副主任，“光热调控智能材料课题组”组长，上海浦江人才。2004年毕业于吉林大学，获学士学位，2010年毕业于中国科学院上海硅酸盐研究所材料物理与化学专业，获工学博士学位，毕业后留所工作担任助理研究员、副研究员，2015年开始先后在美国加州大学伯克利分校和劳伦兹国家实验室从事功能薄膜材料与器件的研究，2016年底回国后，先后任课题组副组长，组长，研究员。
研究方向主要包括光热调控材料与元器件，新型节能材料及涂层开发等。获中科院首届“率先杯“未来技术创新大赛决赛优胜奖（排名第一），在光热调控材料及器件领域发表SCI论文几十篇；成果被发表在Nat. Nanotechnol., Adv. Mater., Rep. Prog. Phys.等国际期刊。受邀参与撰写了4部光热调控材料相关英文著作；以第一/主要发明人累计申请专利30项，已获授权17项；多次受邀在国际/国内电致变色材料大会、国际特种陶瓷大会等学术论坛上作邀请报告。作为负责人主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金（3项）、中科院预研支撑、中科院国际合作、JPPT、GF创新等项目20余项，累计获经费支持3000多万元。
孙宜阳
孙宜阳，上海硅酸盐研究所研究员。本科，吉林大学；硕士，厦门大学；博士；新加坡国立大学。
工作经历：
2004—2006，新加坡国立大学物理系，博士后
2006—2008，美国可再生能源国家实验室，博士后
2008—2010，美国伦斯勒理工学院物理系，博士后
2010—2015，美国伦斯勒理工学院物理系，研究助理教授
2015—2017，美国伦斯勒理工学院物理系，研究科学家
2017—至今，中国科学院上海硅酸盐研究所，高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室，研究员
科研工作简介：
（1）第一性原理缺陷理论—广泛应用于能源材料、低维材料、拓扑材料和超导材料等
（2）新型功能材料设计—基于材料基因组概念的新材料设计与开发
（3）材料物理与化学—理解材料中的微观物理与化学过程，基于这些理解来改善和设计材料性质
罗宏杰
罗宏杰，上海大学文化遗产保护基础科学研究院教授，973项目首席科学家，国家杰出青年基金、国务院政府特殊津贴、中国科学院“百人计划”获得者。曾任陕西科技大学校长，中科院上海硅酸盐研究所所长，上海大学校长、党委书记。
研究方向：1. 文化遗产保护；2. 节能材料；3. 功能陶瓷粉体合成等。在文化遗产保护方面率先引入多元统计分析与数据库技术，开展了古陶瓷等硅酸盐质文物的物理化学基础及科技保护研究工作；在节能材料方面开展了节能材料粉体及节能陶瓷膜的研究。主持承担多项国家重点基础研究发展计划项目（973计划）、国家自然科学基金杰出青年基金项目、国家自然科学基金重点项目、国家"十一五"科技支撑计划重点项目、国家文物局"指南针计划"试点项目、上海市重大基础研究项目等多项国家和省（部、院）级科研课题的研究工作。
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