智能窗的制作方法
【專利摘要】一種智能窗，其包括玻璃和固定于該玻璃上的電致變色薄膜，所述電致變色薄膜依次包括第一基底、第一透明電極層、電致變色層、離子導體層、離子儲存層、第二透明電極層、p(a?SiC:H)層、i(a?SiC:H)層、n(a?SiC:H)層、第三透明電極層以及第二基底。
【專利說明】
智能窗
技術領域
[0001]本申請涉及能夠自動調節窗戶透光程度的智能窗結構，更具體地涉及一種基于電致變色的智能窗結構。
【背景技術】
[0002]傳統的智能窗是由電機控制其葉片開合程度進而控制進光量來實現的，這種智能窗結構受限于葉片的限制而不能精確實現進光量的控制。隨著各種變色薄膜材料的出現，已經開始有將變色薄膜技術應用于各種光控設計當中。例如，三氧化鎢薄膜可以通過利用電場作用而可逆地呈現不同的顏色，且其變色控制所需要的工作電壓較低，通常在-3V-+3V之間，因此，已經出現了一些將三氧化鎢薄膜應用于智能窗的設計方案，其中借助控制電壓的調節來調節三氧化鎢薄膜的顏色變化，從而調節室外太陽光的射入量。然而，目前的一些應用三氧化鎢薄膜的智能窗設計當中仍然需要較多的外圍設備，存在制造及安裝等多個方面的不足。
【發明內容】
[0003]針對這些不足，本發明提出了一種改進的利用三氧化鎢的電致變色性能的智能窗結構。借助本發明的智能窗結構及特定參數設計，可以以非常簡單和緊湊的方式一體實現電致變色功能、功率源、光強檢測及調節等功能，大大減小外圍設備的數量，同時提高對太陽光的利用效率，真正實現一種綠色環保的智能窗設計。
[0004]根據本發明的一個方面，智能窗可以包括玻璃和固定于該玻璃上的電致變色薄膜。所述電致變色薄膜依次包括第一基底1、第一透明電極層2、電致變色層3、離子導體層4、離子儲存層5、第二透明電極層6、口(3-5;[(]:!1)層7、;[(3-5;[(]:!0層8、11(3-5;[(]:!0層9、第三透明電極層10以及第二基底11。其中，所述電致變色薄膜按照下列步驟I至9制作而成，SP:
[0005]步驟1:在所述第一基底I上形成SnO2= F層，從而形成所述第一透明電極層I，所述第一透明電極層2的厚度為700nmo
[0006]步驟2:在4Pa的真空環境下，加熱使WO3固態納米粉末蒸發，在所述第一透明電極層2上沉積形成300nm厚的在X射線衍射下呈現不定形態的WO3層，從而構成所述電致變色層3 ο
[0007]步驟3:將聚環氧乙烷粉末與1^“3020?3)2按照0原子與1^原子數之比為20:3的比例溶解于乙腈中制備形成電解液，接著將所制備的電解液注入所述電致變色層3上，在65攝氏度的溫度下蒸發36小時將溶劑去除，從而在所述電致變色層3上形成70nm厚的所述離子導體層4，隨后將所形成的四層結構被保持在干燥環境下。
[0008]步驟4:按照Ce原子與Ti原子數之比為1:1的比例將Ce(NH4)2(NO3)6與鈦酸異丙酯溶解于乙醇中形成T12-CeO2先驅體溶膠，采用溶膠-凝膠法在所述離子導體層4上形成500nm厚的Ti02_Ce02層，即所述離子儲存層5。
[0009]步驟5:以與步驟I相同的工藝在所述離子儲存層上形成850nm厚的Sn02:F層，即所述第二透明電極層6。
[0010]步驟6:在6*10'—5帕的真空環境及160攝氏度的襯底溫度下，以CH4/SiH4作為反應氣體，按照CH4/SiH4的流量比為30:25(mL/min)、在70Pa的反應氣體壓力和90攝氏度的反應氣體溫度的工藝條件以化學氣相沉積法形成單結的所述P(a_SiC:H)層，所述p(a_SiC:H)層的厚度為I Onm ο
[0011]步驟7:接著依次沉積形成厚度為500nm的單結i(a-SiC:H)層8及厚度為1nm的單結n(a-SiC:H)層9。
[0012]步驟8:采用磁控濺射法在所述n(a_SiC:H)層9上形成ITO層作為所述第三透明電極層10，其中，所述ITO層具有兩層結構，緊挨n(a-SiC:H)層9形成的是500nm厚的平坦層，在所述平坦層上又形成有周期性的圓臺結構，所述圓臺結構的高度為300nm。
[0013]步驟9:在所述第三透明電極層10上形成所述保護性的第二基底11。
[0014]進一步地，在應用中，所述電致變色薄膜的第二基底11固定在所述玻璃的室內側表面上。
[0015]優選地，所述SnO2= F層可以采用溶膠-凝膠法或者化學氣相沉積法形成。
[0016]更進一步地，在所述第一基底I的與形成有所述第一透明電極層2相反的一側上可以形成有抗磨層12，以改善智能窗的使用壽命。
[0017]進一步地，所述第一透明電極層2、所述電致變色層3、所述離子導體層4、所述離子儲存層5及所述第二透明電極層6構成電致變色結構，其厚度被設計成使得所述電致變色結構具有2000歐姆的內阻;所述第二透明電極層6、所述p(a-SiC:H)層7、所述i(a-SiC:H)層8、所述n (a-SiC: H)層9及所述第三透明電極層1構成光伏電池結構。
[0018]進一步地，本發明的智能窗還可以包括電致變色控制電路、光伏電池整流穩壓電路及功率儲存電路。該光伏電池整流穩壓電路用于將光伏電池結構響應于光電響應輸出的電流信號進行整流穩壓。該電致變色控制電路可以包括微功耗的單片機，其被設置成根據室外光強調節所述電致變色結構的變色程度和/或根據預先設定的時間來調節所述電致變色結構的變色程度。
[0019]進一步地，本發明的智能窗還可以包括與其光伏電池結構配合的光強檢測電路，所述檢測電路包括初級信號提取放大電路，所述初級信號提取放大電路包括三個運算放大器0P1、0P2及0P3。
[0020]具體而言，在所述初級信號提取放大電路中，所述運算放大器OPl的反相輸入引腳2連接所述光伏電池結構的輸出端，并且經電阻Rl和電容Cl并聯形成的外反饋電路、電阻R3、電容C3及電阻R4連接所述運算放大器OPl的輸出引腳6;所述運算放大器OPl的同相輸入引腳3經所述電阻R2和電容C2的并聯電路與地GND連接。所述運算放大器0P2的同相輸入引腳3經電阻R5和R4連接所述運算放大器OPl的輸出引腳6，并且經電容C4接地GND，以及經電阻R5和電容C6連接所述運算放大器0P2的輸出引腳6;所述運算放大器0P2的反相輸入引腳2經電阻R6和電容C5的并聯電路與所述運算放大器0P2的輸出引腳6連接;所述運算放大器0P2的正電源引腳7連接正直流電源且經電容CS連接地GND，負電源引腳4連接負直流電源且經電容C7連接地GND;變阻器R8的調節端連接正直流電源，其余兩端分別連接所述運算放大器0P2的引腳I和引腳8。所述運算放大器0P3的反相輸入引腳2連接所述運算放大器0P2的輸出引腳6，并且經電阻R7和電容C9連接所述運算放大器0P3的輸出引腳6;所述運算放大器0P3的同相輸入引腳3經電阻R9和電容C1連接地GND，變阻器R1的調節端連接于電阻R9和電容ClO之間，且其余兩端分別連接正負直流電源。其中，所述電容C3、C5及C9為pF量級，所述電容C7及C8yF量級。
【附圖說明】
[0021]現在，將參考附圖以示例的方式詳細描述本發明的實施例，其中:
[0022]圖1示出了根據本發明的電致變色薄膜的層結構示意圖；
[0023]圖2示出了根據本發明的初級信號提取放大電路的示意圖。
【具體實施方式】
[0024]本發明公開了一種智能窗，其包括玻璃和固定于該玻璃上的電致變色薄膜。該電致變色薄膜可以獨立于玻璃形成，從而方便了電致變色薄膜的制作及運輸。
[0025]如圖1所示，本發明的電致變色薄膜依次包括第一基底1、第一透明電極層2、電致變色層3、離子導體層4、離子儲存層5、第二透明電極層6、p (a-SiC: H)層7、i (a_SiC: H)層8、n(a-SiC:H)層9、第三透明電極層10以及第二基底11。
[0026]根據本發明的電致變色薄膜按照下列工藝過程制作而成。
[0027]步驟1:在基底I上形成SnO2= F層，從而形成第一透明電極層2。其中，基底I可以是任何適于在其上沉積形成SnO2: F層的材料，諸如可以為聚合物薄膜材料;SnO2: F層可以采用溶膠-凝膠法或者化學氣相沉積法形成，優選地，可以選用溶膠-凝膠法。該第一透明電極層2的厚度為700nm。形成為SnO2 = F層的第一透明電極層2同時也充當低輻射涂層，其可以提高熱阻率，有效阻斷窗戶內外熱量的交換，而不會影響窗戶的透光性。
[0028]步驟2:在4Pa的真空環境下，加熱使WO3固態納米粉末蒸發，在第一透明電極層2上沉積形成300nm厚的在X射線衍射下呈現不定形態的W03層，從而構成電致變色層3。
[0029]步驟3:將聚環氧乙烷粉末與LiN(SO2CF3)2按照O原子與Li原子數之比為20: 3的比例溶解于乙腈中制備形成電解液，接著將所制備的電解液注入WO3層3上，在65攝氏度的溫度下蒸發36小時將溶劑去除，從而在WO3層3上形成70nm厚的離子導體層4。所形成的包括層I至4的四層結構被保持在干燥環境下。
[0030]步驟4:按照Ce原子與Ti原子數之比為1:1的比例將Ce(NH4)2(NO3)6與鈦酸異丙酯溶解于乙醇中形成T12-CeO2先驅體溶膠，采用溶膠-凝膠法在離子導體層4上形成500nm厚的T12-CeO2層，即離子儲存層5。
[0031]步驟5:以與步驟I相同的工藝在離子儲存層5上形成850nm厚的SnO2= F層作為第二透明電極層6使用，該第二透明電極層6同樣具有低輻射特性，能夠進一步地改善熱阻性。
[0032]步驟6:在6*10'—5帕的真空環境及160攝氏度的襯底溫度下，以CH4/SiH4作為反應氣體，按照CH4/SiH4的流量比為30:25(mL/min)、在70Pa的反應氣體壓力和90攝氏度的反應氣體溫度的工藝條件以化學氣相沉積法形成單結P(a-SiC:H)層7，該p(a-SiC:H)層7的厚度為10nm。
[0033]步驟7:接著依次沉積形成厚度為500nm的單結i(a-SiC: H)層8及厚度為1nm的單結n(a-SiC:H)層9。
[0034]步驟8:采用磁控濺射法在n(a_SiC:H)層9上形成ITO層作為第三透明電極層10，該ITO層具有兩層結構，緊挨n(a-SiC:H)層9形成的是500nm厚的平坦層，在該平坦層上又形成有周期性的圓臺結構，該圓臺結構的高度為300nm。在該第三透明電極層10中，采用ITO材料提供透明電極且設置了周期性圓臺結構，是為了降低入射光在該第三透明電極層10上的反射率，讓盡可能多的光進入層7-9，從而提高太陽光的光電轉換效率。
[0035]步驟9:最后，在第三透明電極層10上形成保護性的第二基底11，以便在使用過程中與玻璃表面結合，從而將該電致變色薄膜固定于玻璃表面上形成本發明的智能窗結構。
[0036]具體而言，在使用過程中，本發明的電致變色薄膜的基底11被固定在玻璃的室內側表面上，因此，優選地還可以在基底I的另一側上形成抗磨層12，以便提高該電致變色薄膜的使用壽命。
[0037]在本發明的電致變色薄膜中，由第一透明電極層2、電致變色層3、離子導體層4、離子儲存層5及第二透明電極層6構成電致變色結構，其厚度被設計成使得該電致變色結構具有高達2000歐姆的內阻，從而為由第二透明電極層6、p(a-SiC:H)層7、i(a-SiC:H)層8、n(a-SiC:H)層9及第三透明電極層10構成的光伏電池結構在變色操作中可以提供較高的工作電壓。
[0038]基于上述工藝及參數形成的電致變色結構，可以在0.6秒的響應開關時間下需要小于ImA/cnf 2的工作電流，同時基于本發明所公開的上述工藝及參數所獲得的光伏電池結構，可以能夠提供大于6mA/CnT2的最大功率點電流，因此使得在本發明的電致變色薄膜中，其自身所能產生的電能不僅能夠滿足驅動電致變色結構工作的需要，還可以滿足其他微功耗控制電路的功率需求。因此，借助本發明的包括電致變色結構和光伏電池結構的電致變色薄膜，可以提供一種綠色環保的智能窗結構，即，利用光伏電池結構將太陽能轉換為電能，從而為用于調整窗透光度的電致變色結構提供電源。
[0039]在根據本發明的智能窗中，還可以包括電致變色控制電路、光伏電池整流穩壓電路及功率儲存電路。該光伏電池整流穩壓電路用于將光伏電池響應于光電響應輸出的電流信號整流穩壓成諸如電致變色控制電路等其他電路工作所需要的電壓信號，功率儲存電路用于儲存多余的電功率信號以作為備用功率源使用。電致變色控制電路可以包括微功耗的單片機，用于根據室外光強調節電致變色薄膜的變色程度，進而調整進入室內的光強。作為補充，電致變色控制電路還可以被設置成根據預先設定的時間來調節電致變色薄膜的變色程度。
[0040]此外，由于光伏電池的短路電流在很寬的光線強度范圍內與光線強度存在著線性關系，因此在利用光伏電池結構提供電能的同時，還可以借助光伏電池的短路電流與光強之間的這種線性關系，提供光強檢測功能，以便由控制單元借助該光強檢測功能控制電致變色層的變色過程，從而實現需要的窗透光度的自動控制。相應地，本發明的智能窗還可以包括與光伏電池結構配合使用的光強檢測電路結構。由于光伏電池響應于光強輸出的短路電流信號非常微弱，因此，其中用于提取該短路電流信號的初級提取放大電路的設計就顯得非常重要。具體而言，本發明的初級信號提取放大電路能夠提供較好的放大濾波作用，特別適于對光伏電池的短路電流信號的提取檢測。如圖2所示，該初級信號提取放大電路主要包括三個運算放大器0P1-3。
[0041]運算放大器OPl的反相輸入引腳2連接光伏電池結構的輸出端，并且經電阻Rl和電容Cl并聯形成的外反饋電路、電阻R3、電容C3及電阻R4連接運算放大器OPl的輸出引腳6;運算放大器OPI的同相輸入引腳3經電阻R2和電容C2的并聯電路與地GND連接。
[0042]運算放大器0P2的同相輸入引腳3經電阻R5和R4連接運算放大器OPl的輸出引腳6，并且經電容C4接地GND，以及經電阻R5和電容C6連接運算放大器0P2的輸出引腳6;運算放大器0P2的反相輸入引腳2經電阻R6和電容C5的并聯電路與運算放大器0P2的輸出引腳6連接；運算放大器0P2的正電源引腳7連接正直流電源且經電容CS連接地GND，負電源引腳4連接負直流電源且經電容C7連接地GND;變阻器R8的調節端連接正直流電源，其余兩端分別連接運算放大器0P2的引腳I和引腳8。
[0043]運算放大器0P3的反相輸入引腳2連接運算放大器0P2的輸出引腳6，并且經電阻R7和電容C9連接運算放大器OP3的輸出引腳6;運算放大器OP3的同相輸入引腳3經電阻R9和電容ClO連接地GND，變阻器RlO的調節端連接于電阻R9和電容ClO之間，且其余兩端分別連接正負直流電源。
[0044]其中，在該電路結構中，電阻R2用于補償因電阻Rl過大所造成的直流誤差，電容C2用于與電阻R2并聯以消除電阻R2上的雜散噪聲，電容Cl可以起到減小電路的通頻帶寬的作用。電容C3、C5及C9為pF量級，其被設置用于抑制運算放大器的振蕩，在運算放大器0P2的正負電源引腳4和7上接入yF量級的電容C7及CS，以進行高頻濾波。電阻R9及RlO的設置可以起到調整運算放大器0P3的同相輸入引腳的電流的作用。
[0045]在上述電路中，所述正負直流電源可以提供±5V的直流電壓，所述運算放大器可以采用AD公司的0P27型精密運算放大器。
[0046]借助本發明所公開的智能窗結構，可以更緊湊和高效地將電致變色控制、功率源提供及光強檢測功能一體集成提供，大大簡化了智能窗的加工安裝過程，同時使得智能窗對于太陽光的利用效率得到很大提高。此外，借助于對其中透明電極的特定選擇及配置，還可以在保證光電轉換效率的同時，提高智能窗的熱阻效率。
[0047]可選地，本發明的智能窗還可以包括傳統的可開關式窗簾，其設置于室內側。所述控制單元可以借助WiFi信號接收外部指令來設定用于控制該可開關式窗簾開關的時間、溫度及光強參數中的一個或多個，以便在設定的時間、溫度及光強范圍內開啟或者關閉該可開關式窗簾。
[0048]在前面的說明中，已經參照本發明的具體示例性實施例對本發明的原理進行了描述。但是，對于本領域技術人員顯而易見的是，在不背離所附權利要求限定的本發明的精神及范圍的情況下，可以對本發明進行各種修改或改變。因此，應當將說明書及其附圖視為示例性而非限制性的。
【主權項】
1.一種智能窗，其包括玻璃和固定于該玻璃上的電致變色薄膜，其特征在于:所述電致變色薄膜依次包括第一基底(1)、第一透明電極層(2)、電致變色層(3)、離子導體層(4)、離子儲存層(5)、第二透明電極層(6)、p(a-SiC:H)層(7)、i(a-SiC:H)層(8)、n(a-SiC:H)層(9)、第三透明電極層(10)以及第二基底(11)，其中，所述電致變色薄膜按照下列工藝過程制作而成， 步驟1:在所述第一基底(I)上形成SnO2: F層，從而形成所述第一透明電極層(2)，所述第一透明電極層(2)的厚度為700nm; 步驟2:在1*10~—4Pa的真空環境下，加熱使WO3固態納米粉末蒸發，在所述第一透明電極層(2)上沉積形成300nm厚的在X射線衍射下呈現不定形態的WO3層，從而構成所述電致變色層⑶； 步驟3:將聚環氧乙烷粉末與LiN(SO2CF3)2按照O原子與Li原子數之比為20:3的比例溶解于乙腈中制備形成電解液，接著將所制備的電解液注入所述電致變色層(3)上，在65攝氏度的溫度下蒸發36小時將溶劑去除，從而在所述電致變色層(3)上形成70nm厚的所述離子導體層(4)，隨后將所形成的四層結構被保持在干燥環境下； 步驟4:按照Ce原子與Ti原子數之比為1:1的比例將Ce(NH4)2(NO3)6與鈦酸異丙酯溶解于乙醇中形成T12-CeO2先驅體溶膠，采用溶膠-凝膠法在所述離子導體層(4)上形成500nm厚的T12-CeO2層，即所述離子儲存層(5); 步驟5:以與步驟I相同的工藝在所述離子儲存層(5)上形成850nm厚的SnO2 = F層，即所述第二透明電極層(6); 步驟6:在6*10'—5帕的真空環境及160攝氏度的襯底溫度下，以CH4/SiH4作為反應氣體，按照CH4/SiH4的流量比為30:25(mL/min)、在70Pa的反應氣體壓力和90攝氏度的反應氣體溫度的工藝條件以化學氣相沉積法形成單結的所述p(a-SiC:H)層(7)，所述p(a-SiC:H)層(7)的厚度為I Onm; 步驟7:接著依次沉積形成厚度為500nm的單結i(a-SiC:H)層(8)及厚度為1nm的單結η(a-SiC:H)層(9); 步驟8:采用磁控濺射法在所述n(a-SiC:H)層(9)上形成ITO層作為所述第三透明電極層(10)，其中，所述ITO層具有兩層結構，緊挨n(a-SiC:H)層(9)形成的是500nm厚的平坦層，在所述平坦層上又形成有周期性的圓臺結構，所述圓臺結構的高度為300nm; 步驟9:在所述第三透明電極層(10)上形成所述保護性的第二基底(11); 所述電致變色薄膜的第二基底(11)固定在所述玻璃的室內側表面上。2.如權利要求1所述的智能窗，其中，在所述步驟2中，所述SnO2:F層是采用溶膠-凝膠法或者化學氣相沉積法形成的。3.如權利要求1或2所述的智能窗，其中，在所述第一基底(I)的與形成有所述第一透明電極層(2)相反的一側上形成有抗磨層(12)。4.如權利要求3所述的智能窗，其中，所述第一透明電極層(2)、所述電致變色層(3)、所述離子導體層(4)、所述離子儲存層(5)及所述第二透明電極層(6)構成電致變色結構，其厚度被設計成使得所述電致變色結構具有2000歐姆的內阻;所述第二透明電極層(6)、所述P(a-SiC:H)層(7)、所述i(a-SiC:H)層(8)、所述n(a-SiC:H)層(9)及所述第三透明電極層(10)構成光伏電池結構。5.如權利要求4所述的智能窗，其還包括電致變色控制電路、光伏電池整流穩壓電路及功率儲存電路，所述光伏電池整流穩壓電路用于將所述光伏電池結構響應于光電響應輸出的電流信號進行整流穩壓;所述電致變色控制電路包括微功耗的單片機，其被設置成根據室外光強調節所述電致變色結構的變色程度和/或根據預先設定的時間來調節所述電致變色結構的變色程度。6.如權利要求5所述的智能窗，其還包括與所述光伏電池結構配合的光強檢測電路，所述檢測電路包括初級信號提取放大電路，所述初級信號提取放大電路包括三個運算放大器0P1、0P2 及 0P3;其中， 所述運算放大器OPl的反相輸入引腳2連接所述光伏電池結構的輸出端，并且經電阻Rl和電容Cl并聯形成的外反饋電路、電阻R3、電容C3及電阻R4連接所述運算放大器OPl的輸出弓丨腳6;所述運算放大器OPl的同相輸入引腳3經所述電阻R2和電容C2的并聯電路與地GND連接； 所述運算放大器0P2的同相輸入引腳3經電阻R5和R4連接所述運算放大器OPl的輸出引腳6，并且經電容C4接地GND，以及經電阻R5和電容C6連接所述運算放大器0P2的輸出引腳6;所述運算放大器0P2的反相輸入引腳2經電阻R6和電容C5的并聯電路與所述運算放大器0P2的輸出引腳6連接;所述運算放大器0P2的正電源引腳7連接正直流電源且經電容CS連接地GND，負電源引腳4連接負直流電源且經電容C7連接地GND;變阻器R8的調節端連接正直流電源，其余兩端分別連接所述運算放大器0P2的引腳I和引腳8; 所述運算放大器0P3的反相輸入引腳2連接所述運算放大器0P2的輸出引腳6，并且經電阻R7和電容C9連接所述運算放大器0P3的輸出引腳6;所述運算放大器0P3的同相輸入引腳3經電阻R9和電容ClO連接地GND，變阻器RlO的調節端連接于電阻R9和電容ClO之間，且其余兩端分別連接正負直流電源； 其中，所述電容C3、C5及C9為pF量級，所述電容C7及C8yF量級。7.如權利要求6所述的智能窗，其中所述正負直流電源提供±5V的直流電壓。8.如權利要求7所述的智能窗，其中還包括可開關式窗簾，所述可開關式窗簾設置于室內側;所述智能窗被設置成借助WiFi信號接收外部指令來設定用于控制所述可開關式窗簾開關的時間、溫度及光強參數中的一個或多個，以便在所述設定的時間、溫度及光強參數下開啟或者關閉所述可開關式窗簾。
【文檔編號】G02F1/153GK106033166SQ201610625499
【公開日】2016年10月19日
【申請日】2016年8月2日
【發明人】王儉儉
【申請人】大昶門控科技（上海）股份有限公司