中科院上硅所研发全固态电致变色器件，将响应时间降低至1秒以下，未来可用于节能窗和显示领域

如果没有电，那么我们的生活或将处于一片“黑暗”之中。当今时代，越来越多的智能化电子器件正使人类的生活出行变得愈发便捷。人们只需要通过一个小的开关按钮，施加电信号到传感器上，就可以驱动各种功能电器。

而在这类智能光热调控器件中，电致变色器件可以说是最重要的一种。

电致变色器件主要基于电触发的方式来实现光波段的选择，从外在表现来看，其会出现颜色以及透明度的变化，且这种变化是完全可逆的。该器件有许多有趣的应用，例如制造可提高建筑物能源效率的智能窗户、镜子以及用于电子设备的低功耗显示等。

然而，由于电致变色器件的离子扩散速度有限，导致着色和漂白都需要一个相对漫长的过程。因此，低响应速度也被视作是制约该器件广泛应用的“瓶颈”问题。

近日，中国科学院上海硅酸盐研究所的研究团队开发了一种新的电致变色器件，基于全固态串联结构，将器件的响应时间降低至 1s 以下，从而实现颜色的快速切换。该电致变色器件显著优于此前提出的一系列解决方案，为拓展其应用领域开辟了新路径。

相关研究成果发表在 Nature Electronics 期刊，该论文以《用于快速开关电致变色器件的全固态质子串联结构》（All-Solid-State Proton-Based Tandem Structures for Fast-Switching Electrochromic Devices）为题[1]。

图 | 相关论文（来源：Nature Electronics）

论文共同第一作者是上海硅酸盐所光热调控智能材料课题组博士生邵泽伟、黄爱彬博士和上海硅酸盐所集成计算材料研究中心明辰博士，通讯作者是上海硅酸盐所光热调控智能材料课题组曹逊研究员、上海硅酸盐所集成计算材料研究中心孙宜阳研究员和上海大学罗宏杰教授。

打破响应速度缓慢瓶颈，开发快速开关电致变色装置

事实上，在当前关于电致变色的报道中，性能较高的有相当一部分都是半固态器件，它们采用的电解质为液态电解质，这对电致变色的应用推广具有非常大的局限性。

这种情况下，全固态电致变色器件被认为是未来研究发展的重要方向。而在全固态变色器件中，固态离子的传输等一些基于固态离子学的原理起到了至关重要的作用。

图 | 中继式质子传输电致变色器件结构示意图（来源：曹逊）

“我们研究团队从实验和理论两个维度，首次提出利用质子中继式传输在三氧化钨（WO₃）电致变色材料中实现了高着/褪色比的快速切换，并成功制备出超快响应的全固态电致变色器件。”曹逊介绍道。

该团队使用 WO₃ 作为电致变色材料，然后引入聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）作为固态质子源，使其帮助氢离子实现快速迁移，这也是此类实验中首次采用固态有机聚合物。而后，通过电压驱动 Na+ 进入 PEDOT:PSS 层，进而加深该器件的着色程度。

研究团队在一系列初步测试中对该结构进行了评估，并惊喜地发现基于该结构的电致变色器件展现出了优异的性能。

图 | 新型电致变色器件的性能表征结果（来源：曹逊）

“由此产生的电致变色器件表现出高对比度（在 650 nm 处达到 90%）、超快的响应速度（0.7s 内着色至 90%，0.9s 内褪色至 65%，7.1s 内褪色至 90%）、良好的着色效率和出色的循环稳定性（3000 次循环后，着褪色对比度降低小于 10%）。”曹逊表示。

此外，为了展示该电致变色器件的可扩展性和潜力，研究团队还使用其创建了具有 30×40 平方厘米大面积的柔性结构。事实表明，该器件结构可以有效地用于构建各种尺寸的智能窗户。

图 | 新型电致变色器件的大面积和柔性制备（来源：曹逊）

 从科研中寻找乐趣，以更高标准要求自己

2010 年，曹逊于中国科学院上海硅酸盐研究所毕业，开始从事光热调控材料与器件研究，并先后在美国加州大学伯克利分校和劳伦兹国家实验室开展相关研究工作。2016 年归国后，他重返上海硅酸盐研究所担任研究员。

曹逊表示，“到现在为止，我在这个领域做了差不多有 12 年了。做科研其实是一件比较枯燥的事，特别是在实验进展不是很顺利的时候，但我们要学会从中发现乐趣。”

在他看来，不断从科研工作中得到正面的反馈，收获一些小的成就感，是能让其始终坚持的重要原因之一。

此外，曹逊也提到了在此项研究中一件令他印象深刻的事，即关于这项工作最初定位的讨论。

“有一次，我和学生邵泽伟在孙宜阳老师办公室讨论该项工作，孙老师在完成了一个有意思的理论计算之后，突然跟我讲，我觉得你们这项工作的思路完全是按 Science 思路来走的。”曹逊讲述道。

或许这只是一句玩笑话，但当时的曹逊却当了真。“为什么不可以呢”，他说道，做科研就要按最高的标准要求团队，这样才能做出一流的科研。

图 | 曹逊团队（来源：曹逊）

于是，其团队努力按 Science 的标准来作投稿准备，从作图到理论论证，大家都饱含激情并付出了诸多心血。虽然该稿件被 Science 婉拒，但却为最终登上 Nature Electronics 打下了良好基础。

值得一提的是，该团队几乎每个人都有自己擅长的领域和专属技能。比如，有做实验的能手、有做理论计算的专家、有作图的小能手、还有写作的专家，大家各司其职，一起为该成果的问世而努力。

“我很享受这个过程，特别是平时无数次忘记吃饭的讨论，在一起成长做科研的同时，也增进了彼此之间深厚的友谊。可以说此成果是属于大家，属于我们整个团队的。”曹逊表示。

提高变色速率是推进全固态电致变色器件走向应用的重要一步。然而，当前学术界对于全固态变色器件的研究，仍有很多基础科学问题没有真正解决。接下来，曹逊团队将继续围绕全固态电致变色器件的性能优化，如变色的均匀性等展开一系列的研究。

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参考：

1、Shao, Zewei, et al. "All-solid-state proton-based tandem structures for fast-switching electrochromic devices." Nature Electronics （2022）: 1-8.