圖1：OPPO Rena5 后蓋采用電致變色技術(shù)
基本概況
電致變色（Electrochromic，EC）是指某材料在外加交替（正負(fù)）的電壓作用下，可逆地改變材料的光學(xué)性質(zhì)，如透過(guò)、吸收和反射等。
電致變色器件（Electrochromic Device,ECD）則是將電致變色材料和離子電解質(zhì)應(yīng)用于透明導(dǎo)電電極，通過(guò)外界較低的驅(qū)動(dòng)電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)可逆顏色變化的光電子器件，其典型結(jié)構(gòu)為“三明治”式結(jié)構(gòu)，包括透明導(dǎo)電層、離子存儲(chǔ)層、電致變色層和離子傳導(dǎo)層（電解質(zhì)層）。
圖2：典型電致變色器件結(jié)構(gòu)圖
透明導(dǎo)電層：透明導(dǎo)電層具備良好的光學(xué)透過(guò)性，不影響器件的光學(xué)透過(guò)率，目前最廣泛使用的是錫摻雜的氧化銦（ITO），具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和透明度。但由于電致變色器件對(duì)于透明導(dǎo)電材料的需求不斷擴(kuò)大，加之銦資源短缺，其他類型的透明導(dǎo)電材料亟待開(kāi)發(fā)，如Al、Ga、B、F等元素?fù)诫s的ZnO氧化物，其中AZO（ZnO:Al）和GZO（ZnO:Ga）薄膜的電阻率可低至8.5×10^-5Ω·cm和8.1×10^-5Ω·cm;另FTO（SnO2：F）具有高溫穩(wěn)定性，電阻率可達(dá)10^-3Ω·cm數(shù)量級(jí)，被視為ITO的替代品，可廣泛用于液晶顯示屏、光催化、薄膜太陽(yáng)能電池基底、染料敏化太陽(yáng)能電池、電致變色玻璃等領(lǐng)域。
離子存儲(chǔ)層：離子存儲(chǔ)層的作用是存儲(chǔ)和提供電致變色材料所需要的離子，在外電場(chǎng)作用下，當(dāng)離子注入到EC層時(shí)，CE層釋放離子提供給電解質(zhì)層，當(dāng)外加反向電場(chǎng)時(shí)，電致變色層又脫出離子，此時(shí)CE層又將這些離子存儲(chǔ)起來(lái)，二者在電場(chǎng)作用下發(fā)生相反的氧化或還原過(guò)程，即電致變色層發(fā)生氧化反應(yīng)的同時(shí)，離子存儲(chǔ)層發(fā)生還原反應(yīng)。
電解質(zhì)層：電解質(zhì)是影響器件變色性能、循環(huán)壽命以及耐候性的重要因素之一，開(kāi)發(fā)性質(zhì)優(yōu)異的電解質(zhì)材料是實(shí)現(xiàn)ECD廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。用于ECD的電解質(zhì)主要分為三大類，分別是液態(tài)、無(wú)機(jī)固態(tài)和聚合物電解質(zhì)，目前較為成熟的是液體電解質(zhì)，但對(duì)灌液、封裝都有比較苛刻的要求，而在無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)和聚合物電解質(zhì)方面的研究有待進(jìn)一步完善。
表1：電解質(zhì)類別及特點(diǎn)
電致變色層：電致變色層是器件的核心層，根據(jù)材料組成可分為三大類，分別是有機(jī)電致變色材料、無(wú)機(jī)電致變色材料和復(fù)合型電致變色材料，其中：
1）有機(jī)電致變色材料種類相對(duì)較多，主要有聚噻吩類及其衍生物、紫羅精類、四硫富瓦烯、金屬酞菁類化合物等，具有顏色變化豐富、光學(xué)對(duì)比度高、變色速度快的優(yōu)點(diǎn)，但其抗水抗氧及抗紫外性較差。華南理工大學(xué)劉平團(tuán)隊(duì)在此領(lǐng)域有著深入研究，合成了一系列齊聚噻吩衍生物，相關(guān)電致變色器件表現(xiàn)出較高的光學(xué)對(duì)比度，其在700nm處光學(xué)對(duì)比度達(dá)到75.2%；
2）無(wú)機(jī)電致變色材料具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、變色速度慢，受空氣中水和氧影響較小，且?guī)缀醪皇茏贤饩€影響，耐候性突出等特點(diǎn)，其典型代表是WO3,目前市場(chǎng)上出現(xiàn)多種以WO3為功能材料的ECD，但以WO3為代表的氧化物基ECD難以兼顧優(yōu)異的光學(xué)調(diào)制能力和服役壽命，限制其應(yīng)用發(fā)展，南方科技大學(xué)溫瑞濤團(tuán)隊(duì)通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)離子-基體交互過(guò)程中的離子俘獲效應(yīng)是造成性能衰減的最重要原因之一，通過(guò)基于恒壓或恒流的反俘獲，衰減的器件可以被“刷新”而重新獲得初始性能，可實(shí)現(xiàn)ECD同時(shí)兼顧光學(xué)調(diào)制能力和服役壽命，對(duì)推動(dòng)ECD的廣泛應(yīng)用具有重大意義。此外MoO3、TiO2和NiO也日益受到研究人員的重視，是具有較好應(yīng)用前景的下一代電致變色材料。中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所楊曄團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了以WO3與NiO陶瓷靶材的純氬（或微氧）濺射工藝取代傳統(tǒng)的金屬靶材反應(yīng)濺射，通過(guò)調(diào)整靶材的成分、優(yōu)化沉積工藝條件能有效提升薄膜的沉積效率、改善薄膜的微結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提升薄膜的EC循環(huán)穩(wěn)定性，為未來(lái)低成本ECD商業(yè)化提供一條新的路徑；
3）復(fù)合電致材料則可以克服單一材料的存在缺陷，優(yōu)化電致變色性能，目前主要有無(wú)機(jī)/無(wú)機(jī)、無(wú)機(jī)/有機(jī)、有機(jī)/有機(jī)復(fù)合電致變色材料。
市場(chǎng)應(yīng)用
電致變色是主動(dòng)變色的過(guò)程，具有對(duì)于自身材料的變色掌控能力，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，包括智能窗、防眩目汽車后視鏡、軍事偽裝、柔性電子、電致變色顯示屏等。
圖3：電致變色應(yīng)用領(lǐng)域
智能窗
應(yīng)用于智能窗的電致變色智能玻璃在有電流通過(guò)的情況下具有對(duì)光的吸收或透過(guò)的自主調(diào)節(jié)能力，并且智能窗可以選擇性的實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光的反射與透過(guò)，從而保證了建筑物內(nèi)部在夏季處于涼爽的狀態(tài)，冬季處于一種保持溫暖狀態(tài)。在全球推動(dòng)節(jié)能減排的趨勢(shì)下，建筑領(lǐng)域的電致變色玻璃需求激增，根據(jù)Allied Market Research數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)，2026年全球電致變色玻璃行業(yè)的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到41億美元，預(yù)計(jì)從2019年到2026年的復(fù)合年增長(zhǎng)率為17.2%
防眩目汽車后視鏡
夜間駕駛汽車會(huì)發(fā)現(xiàn)后車強(qiáng)光照射到前車后視鏡中，產(chǎn)生令人暈眩的反光，對(duì)于變道時(shí)的觀察極為不利，從而產(chǎn)生安全問(wèn)題。基于電致變色材料制備的智能防眩目后視鏡可以通過(guò)電子感應(yīng)系統(tǒng)感應(yīng)后方車輛發(fā)射的光線的強(qiáng)弱，施加合適的電壓實(shí)現(xiàn)后視鏡不同的反射能力，從而起到防眩目的效果，使駕駛更加安全。
軍事偽裝
電致變色材料對(duì)中遠(yuǎn)紅外方面的發(fā)射率調(diào)控是未來(lái)發(fā)展的一個(gè)方向，特別是有機(jī)電致變色材料中的PEDOT或PANI，在中遠(yuǎn)紅外波段有著較寬的發(fā)射率調(diào)制幅度，因此在未來(lái)極有可能成為極佳的紅外隱身或偽裝材料。
柔性電子
柔性電致變色器件研究起步較晚，其采用柔性且機(jī)械性強(qiáng)的材料作為透明導(dǎo)電基底，可以應(yīng)用于柔性可穿戴設(shè)備。目前智能便攜式電子產(chǎn)品正在朝著柔性化和透明化的方向發(fā)展，日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求迫切需要性能與之匹配的“隱身電源”，如采用電致變色技術(shù)的柔性透明超級(jí)電容器，可廣泛用于健康監(jiān)護(hù)儀、電子皮膚、微型觸摸傳感器和移動(dòng)智能設(shè)備等領(lǐng)域。
電致變色顯示屏
電致變色材料能夠通過(guò)施加電壓的大小實(shí)現(xiàn)不同的顏色以及在撤去電壓后也能夠保持在原來(lái)的狀態(tài)，因此電致變色材料可被應(yīng)用于顯示。這種顯示器不需要背景光，既可以解決現(xiàn)在顯示器的發(fā)射光對(duì)讀者眼睛的損傷，也可以起到節(jié)約能源的作用。
電致變色智能眼鏡
電致變色智能眼鏡采用電致變色技術(shù)和電子傳感技術(shù)，鏡片在感應(yīng)到陽(yáng)光變化時(shí)顏色會(huì)發(fā)生變化，從而改變紫外線的透過(guò)率，可廣泛用于安全頭盔護(hù)目鏡、飛行員頭盔、滑雪護(hù)目鏡等，具有防紫外線和調(diào)節(jié)眼鏡舒適度等功能。
市場(chǎng)現(xiàn)狀
電致變色材料作為一種新興的智能材料，是國(guó)內(nèi)外企業(yè)紛紛參與布局的重點(diǎn)領(lǐng)域，前景廣闊，國(guó)外代表企業(yè)包括：美國(guó)Gentex Corporation、美國(guó)SAGE Electrochromics、瑞典ChromoGenics AB、美國(guó)View等；國(guó)內(nèi)企業(yè)則主要有凱盛科技、萊寶高科、光羿科技、亞瑪頓等。
表3：國(guó)外電致變色重點(diǎn)企業(yè)
表4：國(guó)內(nèi)電致變色重點(diǎn)企業(yè)
但現(xiàn)階段電致變色技術(shù)尚未完全成熟，在研發(fā)過(guò)程中存在以下問(wèn)題：1) 色系單調(diào)，現(xiàn)階段達(dá)到產(chǎn)業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)的電致變色材料是以WO3為功能材料的，其顏色表現(xiàn)以黑、白、灰為主，色系比較單一。為克服該缺陷，中科院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所趙志剛團(tuán)隊(duì)通過(guò)引入法布里-珀羅腔結(jié)構(gòu)，改變腔體介質(zhì)材料的厚度、折射率和重復(fù)周期，控制光子帶隙，實(shí)現(xiàn)了無(wú)機(jī)電致變色器件多色化，進(jìn)一步施加偏壓調(diào)節(jié)氧化鎢材料折射率，能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍豐富且精細(xì)的顏色調(diào)制; 2) 響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，電致變色材料的響應(yīng)時(shí)間為10- 750ms，響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，需進(jìn)一步縮短響應(yīng)時(shí)間; 3) 大面積問(wèn)題，由于現(xiàn)階段電致變色材料的制備技術(shù)較為復(fù)雜，會(huì)產(chǎn)生變色不均，導(dǎo)致無(wú)法大面積批量生產(chǎn)的問(wèn)題。
