Podstawową zasadą działania szkła elektrochromowego jest to, że przyłożenie niewielkiego napięcia powoduje ruch jonów wewnątrz szkła, powodując odwracalne i stabilne zmiany właściwości optycznych (koloru i przezroczystości) materiału.
Szczegółowa zasada działania (analiza-krok po-kroku
Można go sobie wyobrazić jako bardzo cienką i przezroczystą „baterię”, która zmienia kolor po naładowaniu i ponownie staje się przezroczysta po rozładowaniu.
1. Struktura rdzenia (struktura kanapkowa
Typowe szkło elektrochromowe składa się z pięciu warstw folii funkcjonalnych, umieszczonych pomiędzy dwoma podłożami szklanymi:
Szkło zewnętrzne: Podłoże.
Przezroczysta warstwa przewodząca (TCO): Zwykle tlenek indu i cyny (ITO) służy jako elektroda do przykładania napięcia.
Warstwa elektrochromowa (warstwa EC): Warstwa rdzeniowa zawierająca materiały elektrochromowe (takie jak trójtlenek wolframu WO₃). Po wstrzyknięciu jonów i elektronów zmienia kolor (zwykle zmienia kolor na niebieski).
Warstwa przewodnika jonowego (warstwa elektrolitu): przechowuje jony (takie jak Li⁺) i umożliwia przepływ jonów pod działaniem pola elektrycznego, ale izoluje elektrony.
Warstwa magazynująca jony (warstwa przeciwelektrody): gdy warstwa elektrochromowa zmienia kolor, musi dostarczać lub odbierać jony, aby utrzymać równowagę ładunku, i zwykle sama ma uzupełniające-właściwości zmieniające kolor.
Przezroczysta warstwa przewodząca (TCO): Elektroda po drugiej stronie.
Szkło zewnętrzne: Podłoże.
Struktura jest uproszczona jako: szkło, warstwa przewodząca, warstwa elektrochromowa, warstwa przewodząca jony, warstwa magazynująca jony, warstwa przewodząca i szkło
2. Proces pracy (na przykładzie trójtlenku wolframu WO₃ i jonów litu Li⁺)
A. Zabarwienie - Po przyłożeniu napięcia
Kiedy napięcie prądu stałego (zwykle bardzo niskie, 1–5 V) zostanie przyłożone do przezroczystych warstw przewodzących po obu stronach:
Napęd pola elektrycznego: Pole elektryczne powoduje, że jony litu (Li⁺) w warstwie przewodnika jonowego przemieszczają się w kierunku warstwy elektrochromowej (WO₃).
Wtrysk jonów i elektronów: W międzyczasie elektrony (e⁻) są również wstrzykiwane do warstwy elektrochromowej poprzez obwód zewnętrzny.
Zachodzą reakcje chemiczne: W warstwie elektrochromowej jony i elektrony ulegają reakcjom redukcji (interkalacji) z materiałem.
WO₃ (przezroczysty) + xLi⁺ + xe⁻ ⇌ LixWO₃ (niebieski)
Przebarwienia: Produkt LixWO₃ to ciemnoniebieski związek, który pochłania światło widzialne, tym samym przyciemniając kolor szkła i zmniejszając jego przezroczystość. W międzyczasie warstwa magazynująca jony ulega utlenieniu i utracie jonów, aby utrzymać równowagę ładunku całego układu.
B. Blaknięcie (wybielanie) - po odwróceniu lub odłączeniu napięcia
W przypadku odwrócenia napięcia lub-zwarcia:
Odwrócenie procesu: kierunek pola elektrycznego zmienia się lub zanika, a jony i elektrony są wyodrębniane z warstwy elektrochromowej i wracają do warstwy przewodzącej jony i warstwy magazynującej jony.
Zachodzi reakcja odwrotna: powyższa reakcja chemiczna przebiega w lewo, gdzie LixWO₃ rozkłada się z powrotem na przezroczysty WO₃ i uwalnia Li⁺ i e⁻.
Przywróć przezroczystość: Szkło powraca do stanu wysokiej przezroczystości.
C. Efekt pamięci
Jedną z kluczowych zalet szkła elektrochromowego jest to, że ma właściwości bistabilne. Raz powstałe odbarwienie lub wyblaknięcie może utrzymywać się przez długi czas (kilka godzin lub nawet dni) nawet w przypadku całkowitego odcięcia zasilania. Ponieważ powyższa-reakcja chemiczna jest w stanie stabilnym, jeśli nie jest napędzana zewnętrznym polem elektrycznym. Zużywa energię elektryczną tylko wtedy, gdy musi zmienić swój stan, co czyni go bardzo-energooszczędnym.
