《Materials Chemistry and Physics》：Photonic curing as a scalable route to solution-processed tungsten oxide films for electrochromic devices
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首次应用光固化技术处理WOx薄膜，与传统热处理对比，发现光固化（Xe闪光灯，20μs-100ms脉冲）能快速结晶WOx，提升结晶度（XRD证实）和电致变色性能（色效率提高20-30%，循环稳定性增强），同时避免高温对柔性基底（如PET/PEN）的损伤，为柔性电致变色器件的大规模制造提供新方法。
Kunyapat Thummavichai | Giulia Longo | Oliver S. Hutter | Udari Wijesinghe | Pietro Maiello | Guillaume Zoppi
北安普里亚大学工程、物理与数学学院，英国纽卡斯尔泰恩NE1 8ST
摘要
本研究首次探讨了光子固化技术在提升氧化钨（WOx）薄膜在电致变色（EC）器件性能方面的潜力。传统热处理方法在生产时间、成本和基底兼容性方面存在局限性。光子固化技术利用氙气闪光灯产生高强度、短持续时间的光脉冲，提供了一种快速且高效的替代方案。实验结果表明，光子固化能够成功将氧化钨薄膜从非晶态转变为晶态，从而提高其结构稳定性和着色效率。电化学测试显示，经过光子固化的薄膜在多次循环使用后仍表现出比未处理薄膜更优异的稳定性和性能。这项工作表明，光子固化技术有望显著推动高性能EC材料的发展，为提高智能窗户技术的耐用性和效率提供一种可扩展且经济可行的方法。
引言
电致变色智能窗户（如热致变色、光致变色和电致变色类型）已经存在了几十年。其中，电致变色器件作为尖端技术受到了全球的广泛关注，尤其是在建筑行业中的可持续能源应用方面，有助于实现全球零碳目标。电致变色器件的独特之处在于它们可以根据施加的电势来控制透明度，从而调节透过窗户的光线量，具有巨大的可持续能源应用潜力[1]。与其他仅能提供两种透明度级别（接近100%和接近0%）的变色器件不同，这种特性不仅提高了能源效率，还提升了建筑物内人员的舒适度。据报道，与普通双层玻璃窗户相比，装有这些智能窗户的建筑能耗可降低20-30%[2]。然而，尽管该技术已实现商业化，但由于前期成本较高，目前仍未能普及到每个家庭。此外，在产品使用方面仍存在一些限制，例如循环次数、着色程度、环境温度和器件响应时间等[3]。
金属氧化物（如氧化钨（WOx）[4]、氧化钒（VOx）[5]和氧化铌（NiO）[6,7]）在该领域受到广泛研究，因为它们具有较高的着色效率和快速的响应时间。然而，在提高器件耐用性方面仍存在挑战。在开发这些电致变色器件时，一些研究人员专注于多层器件设计，而另一些则致力于改进电致变色材料本身。
材料开发的技术通常包括金属元素掺杂（例如Ce、Nb、Gd等）[8][9][10]或低温退火工艺[11]，因为这些方法已被证实可以提高电致变色器件的稳定性和着色效率。传统的炉子退火方法是通过长时间高温加热整个玻璃或薄膜堆栈来提升性能，但其缓慢且均匀的加热过程限制了只能用于热稳定性强的刚性基底。快速热退火（RTA）利用红外或电阻加热在几秒钟内迅速提升基底温度[12]，但仍会使整个基底暴露在高温下，可能导致聚合物材料发生热应力或变形。光子固化（也称为强脉冲光退火）为对温度敏感的基底（如聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）[13,14]提供了一种有前景的替代方案。这种非平衡加热方式能够将能量高度局部化并快速传递到特定层，从而使多层器件中的功能层达到显著升高的温度，而不会将过多热量传递给基底。因此，它使得使用热稳定性较低的聚合物材料成为可能，这对于制造柔性电子器件至关重要。该方法使用氙气闪光灯向样品发射短时间（20 μs至100 ms）的高强度光脉冲（最高强度可达50 kW cm?2）和宽带光照（200至1500 nm）[15,16]。因此，该技术受到了工业界和学术界的极大关注，特别是在柔性光电领域[17,18]。与传统热处理方法相比，光子固化具有极短的加工时间，速度可快达1200倍[19,20]。
在本研究中，我们首次报道了基于光子固化的WOx电致变色薄膜的应用。通过对光子固化薄膜与传统的热板退火（称为“热退火”）处理的薄膜以及未经处理的参考材料进行全面的结构和电致变色性能测试（包括扩散系数、响应时间、持续时间和着色效率），评估了光子固化技术的性能。研究表明，光子固化作为一种快速、基底兼容且节能的加工方法，适用于大规模、低温制备电致变色器件，适用于丝网印刷和卷对卷生产。该技术还显示出生产具有优异稳定性的电致变色层的巨大潜力，进一步证明了其适用于大面积和柔性电致变色器件的制造。
实验细节
实验步骤
氧化钨（WOx薄膜是通过直流磁控溅射（Minilab 125，Moorfield Nanotechnologies）使用3英寸钨靶材（纯度99.8%，Kurt J. Lesker）制备的。作为基底使用了氧化铟导电玻璃（ITO，电阻率为10-12 Ω/sq，尺寸75 × 25 × 1 mm，Kintec）。所有ITO基底在使用前均经过去离子水（DI）、丙酮和异丙醇（IPA）的顺序超声清洗，随后进行300秒的UV-臭氧（Ossila）处理。
结果与讨论
对于模拟的温度曲线，样品堆栈由1.1毫米的钠钙玻璃、150纳米的ITO层和370纳米的WOx顶层组成，放置在一个3毫米的不锈钢支架上。由于样品与支架直接接触，因此在模拟模型中也包含了不锈钢基底，以考虑光子脉冲过程中的热传导效应。钠钙玻璃、ITO和不锈钢的热性能数据来源于SimPulse
结论
本研究首次证明了光子固化是一种有效的氧化钨（WOx薄膜结晶方法，所得材料兼具优异的电致变色性能和操作稳定性。一个关键发现是，传统热退火初期获得的性能与快速光子固化带来的长期耐用性之间存在直接权衡。虽然热退火处理的基准样品表现出更好的性能
CRediT作者贡献声明
Kunyapat Thummavichai：撰写 – 原始草案、方法论、实验研究、数据分析。Giulia Longo：实验研究。Oliver S. Hutter：数据管理。Udari Wijesinghe：撰写 – 审稿与编辑。Pietro Maiello：撰写 – 审稿与编辑。Guillaume Zoppi：撰写 – 审稿与编辑、指导。
资助
本项目得到了Leverhulme Trust早期职业奖学金（ECF-2021-657）、Royal Society国际交流计划2024 Global（IES\R2\242132）以及工程与物理科学研究委员会（Engineering and Physical Sciences Research Council）的资助（EP/S023836/1、EP/T005491/1和EP/W010062/1）。作者感谢东北地方企业合作伙伴对光子固化系统的资助。G. L.还感谢MICIU/AEI/10.13039/501100011033项目以及其他来源的财政支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究工作的财务利益或个人关系。
