聚合物电极厚度变化对混合柔性电致变色器件性能的影响：电荷平衡调控的关键作用

这篇研究通过卷对卷（roll-to-roll）原位聚合技术制备了三种厚度（100-170 nm）的侧链修饰聚（3,4-乙撑二氧噻吩）衍生物（PEDOT-EthC6）薄膜，系统研究了厚度变化对电化学性能和电致变色（EC）特性的影响。创新性地采用镍氧化物（Ni-oxide）作为对电极构建混合器件（ECD），发现过尺寸设计的PEDOT-EthC6电极能将Ni-oxide电极电位窗口拓宽至4.4 V vs. Li/Li+，同时将自身电位限制在2.5-3.7 V安全区间，使器件在25°C和65°C下均展现优异循环稳定性（5000次循环后透射率调制Δτv保持105%）。

　　

聚合物电极厚度调控与器件性能优化

引言

电致变色材料（EC materials）能在电场作用下可逆改变颜色和透光率，在智能窗、显示器件等领域具有广泛应用。其中共轭聚合物因其快速响应、低工作电压和全色谱覆盖等优势备受关注。本研究聚焦侧链修饰的PEDOT-EthC6聚合物，通过精确调控电极厚度探究其对电荷平衡和器件性能的影响机制。

实验结果与讨论

薄膜制备与表征

采用卷对卷（roll-to-roll） slot-die涂层技术，通过调节泵速获得6 μm（S）、8 μm（M）、10 μm（L）三种湿膜厚度，经原位聚合后实际厚度分别为102 nm、122 nm和170 nm。激光扫描显微镜（LSM）和扫描电镜（SEM）显示薄膜具有良好均匀性，色差ΔE<3.4。随着厚度增加，可见光透射率τ_v从47%降至19%，而氧化态透射率提升至68%-78%，最大光学对比度Δτ_v达55%。

电化学特性分析

恒电流恒电压（CCCV）测试显示，体积电荷密度随厚度增加从0.15 C cm^?3（S）提升至0.18 C cm^?3（L），表明厚膜中活性材料堆积更致密。值得注意的是，较厚薄膜表现出更低的极化现象，这与其更高效的电荷传输网络相关。

混合器件性能

将三种薄膜与182 nm厚的Ni-oxide对电极组装成电致变色器件（ECD）。当过尺寸设计的PEDOT-EthC6（ECD-L）与Ni-oxide配对时，展现出最优性能：

• 透射率调制Δτ_v=43%（12%?55%）

• 着色效率（CE）达283 cm² C^?1

• 三电极测试揭示其独特工作机制：PEDOT-EthC6将自身电位限制在2.5-3.7 V安全窗口，同时使Ni-oxide电极电位扩展至1.0-4.4 V，充分激活其氧化还原活性

稳定性突破

在±1.6 V优化电压下，ECD-L表现出卓越稳定性：

• 25°C循环5000次后Δτ_v提升至13%?56%

• 65°C高温测试仍保持11%?47%的调制能力

• 电荷保留率分别达99%和62%

讨论与展望

本研究创新性地提出"过尺寸EC聚合物电极"设计策略，突破了传统金属氧化物对电极过尺寸的思维定式。通过精确控制PEDOT-EthC6厚度实现：

1. 1.

   抑制聚合物电极副反应（电位窗口限制）

2. 2.

   最大化利用Ni-oxide电荷容量（拓宽电位窗口）

3. 3.

   简化驱动系统（对称电压设计）

该方法可推广至其他阴极着色聚合物/阳极着色金属氧化物组合，为开发耐高温、长寿命的柔性电致变色器件提供了新思路。未来研究可聚焦大面积器件中的电压降效应及产业化制备工艺优化。