新一代節能玻璃技術——電致變色玻璃的原理
你有沒有過這樣的一天，太陽不知道它是來了還是走了，提示你不斷地打開和關閉你的百葉窗，這樣你就可以閱讀你的計算機 屏蔽還是阻止你的作品褪色？不久我們就會把這個特殊的問題載入史冊，這要感謝電致變色玻璃(「智能」玻璃)，按下一個按鈕，它就會從亮變為亮(從透明變為不透明)並再次變回亮。相對來說，它非常簡單，非常方便(不要再推諉了！)並且擁有巨大的環境的 好處。它到底是如何工作的？讓我們仔細看看！
忘記窗帘，忘記百葉窗！由電致變色玻璃製成的「智能窗戶」可以從透明變成不透明，只需輕輕一按開關又會變回透明。有些是由特殊玻璃製成的；有些是加在普通玻璃上的塑料薄膜。
什麼是電致變色玻璃？
玻璃是一種神奇的材料，如果沒有它，我們的建築室內將是黑暗、陰暗、寒冷和潮濕的。但它也有缺點。它進來了光和熱即使你不想要它。在一個令人眼花繚亂的夏日，進入你的建築的熱量(「太陽能增益」)越多，你就越需要使用你的空調可怕的浪費活力這既花了你的錢，也保護了環境。這就是為什麼大多數家庭和辦公室的窗戶都裝有窗帘或百葉窗。如果你從事室內設計和改造，你可能會認為像這樣的傢具既漂亮又有吸引力——但是用冰冷、實用、科學的術語來說，它們很討厭。老實說:窗帘和百葉窗是一種技術上的缺陷，用來彌補玻璃巨大的內在缺陷:即使你不希望它透明(或半透明)，它也是透明的。
自20世紀初以來，人們已經習慣了建築越來越自動化的想法。我們有電燈洗衣機,洗碗機,真空吸塵器還有更多。那麼，為什麼不給我們的家裝上電動窗戶呢？電動窗戶可以自動從清潔變成工作。智能窗戶(也稱為智能玻璃、可切換窗戶和動態窗戶)正是利用一種叫做電致變色，其中當應用電壓穿過它們。典型的智能窗戶開始是藍色的，當電流通過時(幾分鐘內)逐漸變得透明。
圖:電致變色玻璃在電控下變色:左:這裡是透明的，看起來很像普通玻璃；右:施加一個小電壓，它會變得不透明(發藍和黑暗)。沃倫·格雷茨提供的照片美國能源部/國家可再生能源實驗室(能源部/NREL)。
電致變色玻璃是如何工作的？
有相當多不同類型的電致變色玻璃:有些只是變暗(比如光致變色太陽鏡，在陽光下會變暗)，一些變暗並變成半透明，而另一些變得像鏡子一樣不透明。每種類型都由不同的技術提供動力，我在這裡只詳細描述其中一種:最初的技術，由Satyen K. Deb博士於1969年發現，基於鋰離子在過渡金屬氧化物(如氧化鎢)中的運動。[1](你可能知道，鋰是可充電電池中最著名的化學元素鋰離子電池。)
普通的窗戶是由一塊垂直的玻璃製成的，雙層玻璃窗有兩塊玻璃，中間有一個空氣間隙絕熱和消聲(保持熱量和噪音在一邊或另一邊)。更複雜的窗口(使用低輻射熱反射玻璃)都塗上了一層薄薄的金屬化學物質，所以它們能讓你的家冬暖夏涼。電致變色窗的工作原理有點像這樣，只是它們使用的金屬氧化物塗層要複雜得多，並且是通過類似於製造中使用的工藝來沉積的集成電路(硅電腦晶元)。
雖然我們經常談論「電致變色玻璃」，但像這樣的窗戶可以由玻璃或塑料(技術上稱為「基底」，或基底材料)製成，通過稱為濺射(一種將一種材料的薄膜添加到另一種材料上的精確方法)的工藝塗上多層薄膜。在它的內表面(面向你的家)，窗戶有一個由五個超薄層組成的雙層夾層:中間有一個隔板，隔板兩側有兩個電極(薄電觸點)，電極兩側有兩個透明電觸點層。基本工作原理涉及鋰離子(帶正電荷的鋰原子—缺少電子)通過隔板在兩個電極之間來回遷移。正常情況下，當窗口是透明的，鋰離子位於最裡面的電極(在圖的左邊，你可以在這裡看到)，它是由類似鋰鈷氧化物(LiCoO2).當一個小電壓加到電極上時，離子通過隔板遷移到最外面的電極(圖中右邊的那個)。當它們「浸泡」到該層中時(該層由類似多晶氧化鎢的東西製成，WO3)，它們使它反射光線，有效地使它變得不透明。它們獨自留在那裡，直到電壓反轉，導致它們向後移動，因此窗戶再次變得透明。不需要電力來維持電致變色窗的清晰或黑暗狀態——只需要將它們從一種狀態改變到另一種狀態。
電致變色窗口如何工作:向外部觸點(導體)施加電壓，鋰離子(此處顯示為藍色圓圈)從最裡面的電極移動到最外面的電極(在此圖中從左到右)。窗戶反射更多的光，透射更少，導致它看起來不透明(暗)。這些層是非常薄的塗層，被添加到被稱為基底的一塊很重的玻璃或塑料上(為了清楚起見，這裡沒有示出)。
其他技術
鋰離子電池到此為止，還有哪些技術可用？以下是其中的一些:
我們可以使用電致變色材料(一種染料)，當電流通過它時，它會改變顏色，而不是在電極層之間放置隔板。這類似於光致變色太陽鏡，但在精確的電氣控制下。電化學工作的化學染料包括小提琴家，它在透明和藍色或綠色之間可逆地變化。
我們可以使用納米晶體(例如納米技術，它在原子尺度上工作，大約比我們所說的微觀尺度小1000倍),以大致類似的方式讓更多或更少的光通過智能窗口。
配置
不同類型的電致變色窗具有不同的配置，但是大多數具有幾個不同的層。在一個以Halio品牌出售的流行設計中，有六個獨立的表面。電致變色層夾在兩層PVB(聚乙烯醇縮丁醛)聚合物之間，兩側是熱鋼化玻璃。然後是絕緣層，一個低e塗層，最後是一層內部玻璃。電致變色裝置也可以通過各種方式定製，外層更厚以確保安全性或耐候性，不同的低輻射塗層，或多或少的絕緣等。有些可以通過智能手機應用程序自動控制，或者連接到屋頂吡喃計(太陽感測器)所以當陽光足夠強烈時，你的窗戶會自動變暗。
粘貼式電致變色薄膜
到目前為止，我們所看到的智能窗戶通常是作為獨立的單元安裝的:你花了很大的代價用特製的鍍膜玻璃覆蓋了一整扇窗戶。你還可以以稍微便宜的方式獲得智能窗技術:像Sonte和Smart Tint這樣的製造商製造出薄的、自粘的、粘著的電致變色薄膜，你可以將它應用到現有的窗戶上，並通過簡單的智能手機應用程序打開和關閉。
電致變色薄膜使用的技術類似於液晶顯示器，它使用液晶，在精確的電子控制下，來改變多少光可以通過。當電流接通時，晶體像打開的百葉窗一樣排成一行，讓光直接流過；關閉後，晶體會隨機定向，散射從任意方向穿過的光線，從而使窗戶變得不透明。表演令人印象深刻。根據Smart Tint的說法，當光線清晰時，它的薄膜可以透射大約98%的光線，當光線下降到大約三分之一時，它可以在不到一秒鐘的時間內切換到不透明狀態；它們已經被測試過300萬次來回切換。
電致變色薄膜如何工作:薄膜包含液晶(藍色)。當電流關閉時，晶體指向隨機方向，散射入射光，使薄膜變得不透明。當電流打開時，晶體像打開百葉窗一樣對齊，讓幾乎所有的光線通過。
電致變色窗戶有什麼好與壞？
優勢
智能窗口聽起來像是一個噱頭，但它們有一個巨大的環境的受益。在黑暗的狀態下，它們幾乎反射掉所有(約98%)照射在它們身上的光線，因此它們可以大幅降低對空調的需求(包括安裝空調的巨大成本和日常運行成本)。(一家製造商View Glass估計，電致變色玻璃可以減少大約20%的冷卻和照明能耗。)因為它們是電動操作的，所以可以很容易地有智能家居系統或者陽光感測器，不管樓里有沒有人。據美國能源部國家可再生能源實驗室(NREL)的科學家稱，像這樣的窗戶可以節省建築總能耗的8%；他們只用少量的電就能從黑暗轉換到光明(100個窗戶使用的能量相當於一個窗戶的能量白熾燈)所以使ahuge網整體節能。智能窗戶的其他好處包括按下開關時的隱私(不再用笨拙的、灰塵多的窗帘和百葉窗摸索)、方便(自動變暗窗戶可以防止室內裝潢和圖片褪色)以及提高安全性(電動窗帘是出了名的不可靠)。
火辣的東西！這種熱(紅外線的)圖片顯示了當你把車停在陽光直射的地方時，它有多熱:顏色表示溫度，紅色和黃色最熱，藍色最冷。安裝在汽車上的電致變色玻璃可能有助於解決這個問題。當你停車的時候，你只需要輕輕一按開關就可以讓車窗變暗，當你回來的時候，車會變得又好又酷！照片禮儀美國能源部。
缺點
眾所周知，印刷有電極和奇特金屬塗層的玻璃安裝成本將是普通玻璃的幾倍:一扇大型智能窗戶通常每平方英尺約500-1000美元(約500-1000美元)。還有關於這種材料有多耐用的問題，目前的玻璃在10-20年後性能會下降(比大多數房主從傳統玻璃中預期的壽命要短得多)。當前窗口的另一個缺點是從透明到不透明再到透明需要時間。一些技術可能需要幾分鐘的時間(Halio為其玻璃報價三分鐘從透明到完全變暗)，儘管粘貼式電致變色薄膜的速度要快得多，從透明到不透明的變化不到一秒鐘。
未來智能windows將如何改進？
另一種可能是將電致變色窗戶和太陽能電池這樣黑暗的智能窗戶就可以吸收這些能量並儲存起來以備後用，而不是無用地反射走陽光。很容易想像窗戶在白天捕捉一些落在上面的太陽能並儲存起來電池它可以在晚上給你家裡的燈供電，當然，一個窗戶不可能是100%透明的，同時也是100%高效的太陽能電池板。傳入的能量要麼通過玻璃傳遞，要麼被吸收和儲存，但不是兩者都有。一個兼作太陽能電池的窗口可能會涉及到雙方的妥協:它將是一個相對較暗的窗口，即使它是透明的，並且在捕獲能量方面比一個好的太陽能電池效率低得多。
有一點我們可以肯定的是，未來會看到更多的電致變色技術！
