Основният принцип на работа на електрохромното стъкло е, че чрез прилагане на малко напрежение йоните вътре в стъклото се задвижват да се движат, причинявайки обратими и стабилни промени в оптичните свойства (цвят и прозрачност) на материала.
Подробен принцип на работа (анализ-по-стъпка
Можете да си го представите като много тънка и прозрачна „батерия“, която променя цвета си при зареждане и отново става прозрачна, когато се разрежда.
1. Основна структура (сандвич структура
Типичното електрохромно стъкло се състои от пет слоя функционални филми, поставени между два стъклени субстрата:
Външно стъкло: Субстрат.
Прозрачен проводим слой (TCO): Обикновено индий-калаен оксид (ITO), служи като електрод за подаване на напрежение.
Електрохромен слой (ЕС слой): Сърцевинен слой, съдържащ електрохромни материали (като волфрамов триоксид WO3). Когато се инжектират йони и електрони, той променя цвета си (обикновено става син).
Слой с йонен проводник (електролитен слой): Той съхранява йони (като Li⁺) и позволява на йоните да преминават под действието на електрическо поле, но изолира електроните.
Слой за съхранение на йони (противоелектроден слой): Когато електрохромният слой промени цвета си, той трябва да осигури или приеме йони, за да поддържа баланса на заряда, и обикновено сам по себе си има допълнителни свойства за промяна на цвета-.
Прозрачен проводим слой (TCO): Електродът от другата страна.
Външно стъкло: Субстрат.
Структурата е опростена като: стъкло, проводящ слой, електрохромен слой, слой с йонен проводник, слой за съхранение на йони, проводящ слой и стъкло
2. Работен процес (Вземане на волфрамов триоксид WO3 и литиеви йони Li⁺ като примери)
а. Оцветяване - При подаване на напрежение
Когато DC напрежение (обикновено много ниско, 1-5V) се прилага към прозрачните проводими слоеве от двете страни:
Задвижване на електрическо поле: Електрическото поле задвижва литиевите йони (Li⁺) в слоя на йонния проводник, за да се придвижат към електрохромния слой (WO3).
Инжектиране на йони и електрони: Междувременно електроните (e⁻) също се инжектират в електрохромния слой чрез външна верига.
Протичат химични реакции: В електрохромния слой йоните и електроните претърпяват редукционни реакции (интеркалиране) с материала.
WO₃ (прозрачен) + xLi⁺ + xe⁻ ⇌ LixWO₃ (син)
Обезцветяване: Продуктът LixWO₃ е наситено синьо съединение, което абсорбира видимата светлина, като по този начин потъмнява цвета на стъклото и намалява неговата прозрачност. Междувременно слоят за съхранение на йони се окислява и губи йони, за да поддържа баланса на заряда на цялата система.
b. Избледняване (избелване) -, когато напрежението е обърнато или изключено
Когато напрежението е обърнато или късо-съединено:
Обръщане на процеса: Посоката на електрическото поле се променя или изчезва и йони и електрони се извличат от електрохромния слой и се връщат към йонния проводящ слой и слоя за съхранение на йони.
Настъпва обратна реакция: Горната химическа реакция протича наляво, като LixWO3 се разлага обратно в прозрачен WO3 и освобождава Li⁺ и e⁻.
Възстановяване на прозрачността: Стъклото се връща в състояние на висока прозрачност.
c. Ефект на паметта
Едно ключово предимство на електрохромното стъкло е, че има бистабилни свойства. След като се образува обезцветено или избледняло състояние, то може да се поддържа дълго време (няколко часа или дори дни), дори ако захранването е напълно прекъснато. Тъй като горе-споменатата химична реакция е в стабилно състояние, когато не се управлява от външно електрическо поле. Той консумира електричество само когато трябва да промени състоянието си, което го прави много енергийно-ефективен.
