[发明专利]具有减少的自脱色行为和增强的循环稳定性的电致变色聚合物薄膜

说明书

本公开一般地涉及其中电致变色聚合物(ECP)膜的自脱色行为被抑制的电致变色装置以及相关方法。在一些实施方案中，提供了在例如部分覆盖有十八烷基三氯硅烷(OTS)的氧化铟锡(ITO)基底(POTS‑ITO基底)的经修饰的透明导电氧化物基底上的ECP膜，制备ECP膜的方法和包括该膜的电致变色装置。

相关申请的交叉引用

本申请是基于并要求2017年7月14日提交的美国临时申请第62/532699号，标题为“用于抑制黑色至透射的电致变色聚合物薄膜中的自脱色行为的方法和装置”的优先权。前述申请的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开一般地涉及电致变色装置，更具体地，涉及具有自脱色行为受抑制的电致变色聚合物(ECP)薄膜的电致变色装置。

背景技术

智能电致变色窗户作为一种新兴的节能技术已引起了广泛的关注。电致变色是指通过施加电压引起的电子转移反应时可逆的光谱变化。数十年来已经开发了可以通过切换小偏压以氧化/还原活性材料来操纵光透射的电致变色薄膜。已经探索了各种类型的活性材料，包括无机材料(例如WO₃、MoO₃、V₂O₅、Nb₂O₅等)、小分子(例如紫精、普鲁士蓝等)、共轭聚合物和无机-有机杂化物。其中，共轭聚合物表现出许多吸引人的性能，例如着色-脱色时间快、成本低和柔韧性好。但是，还需要克服一些障碍，包括循环稳定性、光稳定性、光学记忆等。尽管在开发基于聚合物的电致变色材料方面取得了长足的进步，但仍然存在一些技术障碍。

光学记忆是电致变色材料在开路时保持其着色/脱色状态的能力。尽管共轭聚合物薄膜通常在装置电极上具有良好的附着力，但是共轭聚合物的自脱色行为经常存在，并且尚未被完全理解。自脱色行为是指电致变色材料通过施加电压从着色状态恢复其脱色状态的现象。自脱色行为阻碍了电致变色装置(ECD)在许多情况下的应用。例如，需要基于太阳辐射的变化来精确地控制智能窗户的透射率。由于自脱色行为，自动控制变得更具挑战性。因此，重要的是理解和解决共轭聚合物的自脱色行为。

发明内容

在本公开的一方面，研究了ECP-黑薄膜的自脱色行为。已经发现，电化学插入过程导致较不密集的形态并增加了自由体积，从而促进了离子在ECP-黑薄膜中的渗透。聚合物薄膜和透明的氧化铟锡(ITO)电极之间的极化界面使电荷转移变得容易实现，这引起了自脱色行为。

在本公开的另一方面，提出了两种工程策略来抑制自脱色行为。首先，通过增加开路(V_关)时的阴极极化时间来重整密集排列的形态。第二种策略涉及修饰基底，例如用十八烷基三氯硅烷(ITO)层对电极(OTS)表面进行部分修饰。两种策略的组合可以使ECP-黑薄膜保持至少约300秒(s)的着色状态。

在本公开的另一方面，ECP薄膜的循环稳定性已经从约600次循环提高至大于1000次循环或大于2000次循环，而没有明显的颜色对比度衰减。

在另一方面，提供了电致变色装置(ECD)，其包括在经修饰的透明导电氧化物基底上的电致变色聚合物(ECP)膜，该经修饰的透明导电氧化物基底是部分或完全覆盖有修饰材料的透明导电氧化物(TCO)基底，修饰材料选自C₆至C₂₄烷基三氯硅烷、TiO₂、ZnO、WO₃、MoO₃、V₂O₅、NiO、Ni₂O₃、和Ni₃O₄、HMDS(双(三甲基甲硅烷基)胺)、APTS((3-氨基丙基)三乙氧基硅烷)和三甲氧基(2-苯基乙基)硅烷、聚(偏氟乙烯-co-六氟丙烯)(PVDF-HFP)、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT:PSS)或其组合。