基于WO3/Ag和TiO2/NiO/CdS复合电极的高性能电光双方式调控变色器件

doi:10.7503/cjcu20230203

摘要/Abstract

摘要：

电致变色技术已被广泛应用在智能窗领域, 但电致变色过程仍需施加外部电压才能完成, 而将电致变色器件与太阳能电池结合构建的电光双调控变色器件则不需外部供电即可实现智能变色调控. 性能优异的变色阴极和光阳极对电光双调控变色器件至关重要, 本文通过水热法结合电沉积法制备了WO₃/Ag复合薄膜并研究了其电致变色性能; 通过水热法、电沉积法结合连续离子层沉积法制备了TiO₂/NiO/CdS复合薄膜并研究了其光电转换性能. 将WO₃/Ag复合薄膜和TiO₂/NiO/CdS复合薄膜分别作为变色阴极和光阳极构建了电光双方式调控的WO₃/Ag-CdS/NiO/TiO₂变色器件. WO₃/Ag-CdS/NiO/TiO₂电光双调控变色器件具有较为迅速的光调控响应时间(着色/褪色为82.4 s/135.6 s)和良好的光调制范围(630 nm处为30.4%), 将其作为变色智能窗在建筑、汽车等领域具有广泛的应用前景.

关键词: 光电致变色器件, 光电转换, 氧化钨/银复合薄膜, 二氧化钛/氧化镍/硫化镉复合薄膜

Abstract:

Electrochromic technology has been widely used in the field of smart windows， but the electrochromic process still needs to be completed by applying an external voltage. The electro-optical dual-control color-changing device constructed by combining electrochromic devices with solar cells does not require external power supply to achieve smart color-changing control. The color-changing cathode and photoanode with excellent performance are very important for electro-optical dual-control color-changing devices. WO₃/Ag composite films were prepared by hydrothermal method combined with electrodeposition method and their electrochromic properties were studied. TiO₂/NiO/CdS composite films were prepared by hydrothermal method， electrodeposition method combined with continuous ion layer deposition method and their photoelectric conversion properties were studied. Finally， WO₃/Ag composite films and TiO₂/NiO/CdS composite films were used as color-changing cathode and photoanode， respectively， to construct electro-optical dual-control WO₃/Ag-CdS/NiO/TiO₂ color-changing devices. The WO₃/Ag-CdS/NiO/TiO₂ electro-optical dual-control color-changing device has a relatively fast optical-control response time（82.4 s/135.6 s for coloring/bleaching） and a good optical modulation range（30.4% at 630 nm）. It has a wide application prospect as a color-changing smart window in the fields of construction and automobile.

Key words: Photoelectrochromic device, Photoelectric conversion, WO₃/Ag composite film, TiO₂/NiO/CdS composite film

中图分类号:

O614

TrendMD:

柳春蕾, 杨继凯, 刘昱麟, 李思远, 刘昊睿. 基于WO₃/Ag和TiO₂/NiO/CdS复合电极的高性能电光双方式调控变色器件. 高等学校化学学报, 2023, 44(10): 20230203.

LIU Chunlei, YANG Jikai, LIU Yulin, LI Siyuan, LIU Haorui. High-performance Electro-optical Dual-control Color-changing Devices Based on WO₃/Ag and TiO₂/NiO/CdS Composite Electrodes. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(10): 20230203.

图/表 12

Fig.1 XRD patterns of WO3 and WO3/Ag⁃5s composite film

Fig.2 SEM images of WO3 and WO3/Ag composite films（A） WO3 film；（B） WO3/Ag⁃3s film；（C） WO3/Ag⁃5s film；（D） WO3/ Ag⁃7s film. Inset of （A）： SEM image of WO3 film cross section.

Fig.3 EDS spectra and XPS spectra of WO3/Ag composite films（A） EDS spectra of WO3/Ag film；（B） XPS spectrum of WO3/Ag⁃5s composite film；（C） Ag3d high resolution spectrum of WO3/Ag⁃5s composite film.

Fig.4 Electrochromism of WO3 film and WO3/Ag composite film with different Ag length by electrodeposition（A） Cyclic voltammograms；（B） insertion/extraction charge density；（C） transmission spectra（400—900 nm）；（D） transmittance and response time curve；（E） coloration efficiency；（F） Nyquist diagram.

Table 1 Electrochromic properties of WO3 thin films and WO3/Ag composite thin films electrodeposited with Ag for different time

Sample	Q_i/Q_di/（mC·cm^-2）	Reversibility（%）	t_c/t_b（s）	T_b/T_c（%）	ΔT（%）	CE/（cm²·C^-1）
WO₃	26.25/24.46	93.18	12.8/5.2	72.2/48.4	23.8	20.06
WO₃/Ag⁃3s	40.65/38.83	95.52	10.3/4.8	71.3/45.3	26.0	24.93
WO₃/Ag⁃5s	53.99/52.46	97.16	8.8/3.2	70.6/32.5	38.1	45.42
WO₃/Ag⁃7s	50.73/48.92	96.43	9.4/3.6	69.7/40.6	29.1	31.15

Fig.5 XRD patterns of TiO2/CdS and TiO2/NiO⁃10s/CdS composite films(A), XPS spectrum(B) and Ni2p high resolution XPS spectrum of TiO2/NiO⁃10s/CdS film(C)

Fig.6 SEM images of TiO2 film surface(A) and TiO2 film cross section(B), SEM images of TiO2/CdS(C), TiO2/NiO-5s/CdS(D), TiO2/NiO-10s/CdS(E) and TiO2/NiO-15s/CdS(F) composite films surface and cross section

Fig.7 Current density versus voltage(J-V) curve(A)， transient photocurrent curves(B), Nyquist diagram(C) and transmission spectra(D) of TiO2/CdS and TiO2/NiO/CdS composite film samples with the different deposition time(5, 10, 15 s) of NiO

Table 2 Photoelectric conversion performance of TiO2/CdS and TiO2/NiO/CdS photoanode with different NiO electrodeposition time

Sample	V_OC/V	J_SC/（mA·cm^-2）	FF	η（%）
TiO₂/CdS	0.85	0.29	0.18	0.088
TiO₂/NiO⁃5s/CdS	0.86	0.35	0.23	0.138
TiO₂/NiO⁃10s/CdS	0.86	0.62	0.36	0.362
TiO₂/NiO⁃15s/CdS	0.87	0.46	0.28	0.224

Fig.8 Color-changing performance of photoelectrochromic device（A） J-V curves of the device；（B） device transmittance spectra and physical picture（insets： the right is colored， the left is bleached）；（C） electrical-control transmittance and response time curves；（D） optical-control transmittance and response time curves；（E） electrical-control coloration efficiency curves；（F） optical-control coloration efficiency curves.

Table 3 Photoelectric conversion performance of photoelectrochromic devices

Sample	V_OC/V	J_SC/（mA·cm^-2）	FF	η（%）
WO₃⁃CdS/TiO₂	0.76	0.18	0.11	0.032
WO₃/Ag⁃CdS/TiO₂	0.75	0.21	0.13	0.041
WO₃⁃CdS/NiO/TiO₂	0.74	0.36	0.19	0.102
WO₃/Ag⁃CdS/NiO/TiO₂	0.76	0.38	0.21	0.124

Table 4 Color-changing properties of photoelectrochromic devices(630 nm)

Sample	t_c/t_b（s）		T_b/T_c	ΔT	CE/（cm²·C^-1）
Sample	Electrical⁃control response	Optical⁃control response	（%）	（%）	Electrical⁃control	Optical⁃control
WO₃⁃CdS/TiO₂	13.5/5.8	152.2/210.3	60.5/40.3	20.2	15.51	15.33
WO₃/Ag⁃CdS/TiO₂	10.8/4.2	108.9/156.5	59.3/32.4	26.9	23.32	22.96
WO₃⁃CdS/NiO/TiO₂	11.9/5.3	115.3/167.2	59.7/36.6	23.1	18.26	17.65
WO₃/Ag⁃CdS/NiO/TiO₂	10.3/3.6	82.4/135.6	58.6/28.2	30.4	29.38	28.32

参考文献 27

1	Ke Y.， Zhou C.， Zhou Y.， Wang S.， Chan S. H.， Long Y.， Adv. Funct. Mater.， 2018， 28（22）， 1800113
2	Kolay A.， Maity D.， Flint H.， Gibson E. A.， Sol. Energy Mater. Sol. Cells， 2022， 239， 111674
3	Chou J. C.， Shih P. H.， Hu J. E.， Liao Y. H.， Huang C. H.， IEEE Trans. Nanotechnol.， 2014， 13（5）， 954—962
4	Leftheriotis G.， Syrrokostas G.， Yianoulis P.， Solid State Ionics， 2013， 231， 30—36
5	Wen R. T， Granqvist C. G.， Niklasson G. A.， Nat. Mater.， 2015， 14（10）， 996—1001
6	Wen R. T.， Arvizu M. A.， Morales⁃Luna M.， Granqvist C. G.， Niklasson G. A.， Chem. Mater.， 2016， 28（13）， 4670—4676
7	Mansoori E.， Ameri M.， Nikfarjam A.， Int. J. Eng.， 2015， 28（8）， 1169—1174
8	Hoseinzadeh R.， Ghasemiasl R.， Bahari A.， Ramezani A. H.， J. Mater. Sci.： Mater. Electron.， 2017， 28（19）， 14855—14863
9	Kharade R. R.， Mali S. S.， Patil S. P.， Patil K. R.， Gang M. G.， Patil P. S.， Kim J. H.， Bhosale P. N.， Electrochim. Acta， 2013， 102， 358—368
10	Kadam P. M.， Tarwal N. L.， Shinde P. S.， Mali S. S.， Patil R. S.， Bhosale A. K.， Deshmukh H. P.， Patil P. S.， J. Alloys Compd.， 2011， 509（5）， 1729—1733
11	Park K. W.， Song Y. J.， Lee J. M.， Han S. B.， Electrochem. Commun.， 2007， 9（8）， 2111—2115
12	Wang Y.， Meng Z.， Hou C.， Teng L.， Zheng D.， Xu Q.， Hao W.， Xiang Y. L.， Guo W.， J. Mater. Chem. C， 2019， 7， 1966—1973
13	Miao Z.， Yang X， Yang J. K.， Hou Z. P.， Zhang Y. F.， Wang X.， Wang G. Z.， Acta Photonica Sinica， 2019， 48（10）， 60—67
14	Cannavale A.， Manca M.， Malara F.， De M. L.， Cingolani R.， Gigli G.， Energy Environ. Sci.， 2011， 4（7）， 2567—2574
15	Sarwar S.， Park S.， Dao T. T.， Lee M. S.， Han C. H.， Sol. Energy Mater. Sol. Cells， 2020， 210， 110498
16	Cai G.， Tu J.， Zhou D.， Li L.， Zhang J.， Wang X.， Gu C.， J. Phys. Chem. C， 2014， 118（13）， 6690—6696
17	Wu J. B.， Guo R. Q.， Huang X. H.， Lin Y.， J. Power Sources， 2013， 243， 317—322
18	Chou C. S.， Lin Y. J.， Yang R. Y.， Liu K. H.， Adv. Powder Technol.， 2011， 22（1）， 31—42
19	Zhi J.， Chen A.， Cui H.， Xie Y.， Huang F.， Phys. Chem. Chem. Phys.， 2015， 17（7）， 5103—5108
20	Nguyen T. A.， Luu T. L. A.， Do D. T.， Dang D. V.， Nguyen H. L.， Kim H. C.， Nguyen C. T.， Appl. Phys. A， 2022， 128（12）， 1—17
21	Zhang W. D.， Jiang L. C.， Ye J. S.， J. Phys. Chem. C， 2009， 113（36）， 16247—16253
22	Naseri N.， Azimirad R.， Akhavan O.， Moshfegh A. Z.， Thin Solid Films， 2010， 518（8）， 2250—2257
23	Aamir L.， J. Alloys Compd.， 2020， 864， 158108
24	Biesinger M. C.， Payne B. P.， Lau L.， Gerson A.， Smart R.， Surf. Interface Anal.， 2010， 41（4）， 324—332
25	Wu C. C.， Yang C. F.， Nanoscale Res. Lett.， 2013， 8（1）， 1—5
26	Sun G.， Xiao B.， Shi J. W.， Mao S.， Cheng Y.， J. Colloid Interface Sci.， 2021， 596， 215—224
27	Luo G.， Shen K.， Wu X.， Zheng J.， Xu C.， New J. Chem.， 2016， 41（2）， 579—587

[1]	张明, 钟文楷, 钱诗赟, 吕博赛, 周冠清, 薛晓南, 周子春, 史志文, 朱磊, 张永明, 刘烽. 理解多尺度形貌中的共混相结构以制备高性能光伏电池[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(7): 20230147.
[2]	孙琳琳, 张婷, 颜力楷, 苏忠民. 染料敏化太阳能电池中过渡金属取代的Keggin型磷钨酸盐染料性能的理论研究[J]. 高等学校化学学报, 2016, 37(3): 529.
[3]	李志州,崔晓莉,郑俊生,王庆飞 . TiO₂包覆不同微结构纳米碳纤维薄膜电极的光电化学性能[J]. 高等学校化学学报, 2008, 29(6): 1195.
[4]	夏江滨杨红李富友黄春辉. 新型席夫碱锌配合物的合成及其在染料敏化太阳能电池中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2006, 27(2): 204.
[5]	潘凯, 刘兆阅, 徐金杰, 于苗, 王德军, 白玉白, 李铁津. 不同取代基卟啉衍生物敏化纳米TiO₂多孔膜电极的光电性质研究[J]. 高等学校化学学报, 2004, 25(5): 934.
[6]	罗臻, 谭庶欣, 翟锦, 方红娟, 李玉良, 江雷, 朱道本. 低聚噻吩酸敏化多孔TiO₂膜的光电转换性能[J]. 高等学校化学学报, 2004, 25(1): 154.
[7]	姚桂君, 董宇平, 曹廷炳, 杨书明, Jacky Wing Yip Lam, 唐本忠. 重氮树脂-聚(4-羧酸苯基)乙炔自组装膜与光电转换[J]. 高等学校化学学报, 2002, 23(6): 1202.
[8]	曹廷炳, 杨术明, 张茂峰, 黄春辉, 曹维孝. 含磺化聚苯胺和重氮树脂自组装超薄膜的制备及其光电转换性能[J]. 高等学校化学学报, 2002, 23(6): 1213.
[9]	张莉, 杨迈之, 高恩勤, 乔学斌, 郝彦忠, 王艳琴, 蔡生民, 孟凡顺, 田禾. 五甲川菁染料的敏化作用及其在Grätzel型太阳能电池中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2000, 21(10): 1543.
[10]	徐斌, 程虎民, 王艳芹, 马季铭. SnO₂-SnS₂复合纳米粒子的制备及光电性质研究[J]. 高等学校化学学报, 1999, 20(7): 997.
[11]	韦天新, 翟锦, 葛俊豪, 甘良兵, 黄春辉. 两种C₆₀吡咯环多羧基衍生物自组装膜的制备及其光电转换性质研究[J]. 高等学校化学学报, 1999, 20(10): 1515.

基于WO₃/Ag和TiO₂/NiO/CdS复合电极的高性能电光双方式调控变色器件

High-performance Electro-optical Dual-control Color-changing Devices Based on WO₃/Ag and TiO₂/NiO/CdS Composite Electrodes

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 12

参考文献 27

相关文章 11

编辑推荐

Metrics

本文评价