新型智能玻璃透過率測試平臺的簡化搭建

梁寂慶 翟小倩 鄭華

摘 要：當今世界上對于新型智能玻璃透過率的精準測量大多數是通過光纖光譜儀實現的，但是光纖光譜儀高昂的價格和維護成本等是許多實驗者和研究機構難以承擔的。本文通過分析光譜儀的工作原理，搭建針對新型智能玻璃透過率的測試系統，達到大大降低檢測成本的目的。

關鍵詞：智能玻璃 電致變色 變色機理 測試系統

中圖分類號：TN304 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2018）02（a）-0114-03

新型智能玻璃有兩個比較重要的性能指標：光透過率和響應時間。智能玻璃對光的透過率表示的是出射光通量和入射光通量的比值，它直接影響到人眼對光的視覺感受。本文旨在通過自建簡易準確的測試系統，實現對新型智能玻璃透過率的測量，并從實質上降低檢測成本。

1 智能玻璃技術現狀

目前世界上電致變色智能玻璃技術主要分為三種：高分子分散液晶（PDLC）、懸浮顆粒器件（SPD）和電致變色器件 （EC）。三種電致發光技術優劣和商用產品價格如表1所示。

2 電致變色器件結構及工作原理（EC）

基于EC的新型顯示技術是第三代智能玻璃顯示技術。其基本結構如圖1所示，該器件采用多層結構，1～5分別為透明導電層、電致變色層、電解質層、離子存儲層、透明導電層。每個膜層具有不同的作用，其中透明導電層主要職責提供極高的電導率，由于入射光經過玻璃基本時光能大約損耗28%～44%，因此該層的電導率的大小將直接影響最終出射光的光通量和輻射熱量；第二層電致變色層主要是離子和電子的混合體，是發生氧化還原的可逆電化學反應的場所；第三層為電解質層，具有較高的電導率和電阻率；第四層是離子存儲層，該層是智能玻璃實用化的重要膜層，能發生可逆氧化還原反應并具有存儲離子和電子的能力，目前該膜層所用的材料性能普遍不佳。

EC變色薄膜的工作原理是通過在兩個電極施加正向偏壓，離子儲存層中的離子在電場的作用下經過電解質層移動到電致變色層，電致變色材料（PEDOT：PSS）與離子發生電化學摻雜（氧化）反應，使得變色薄膜由中性的有色結構變為摻雜后的無色結構。隨著電化學反應的發生，離子在變色材料中積累越來越多，最終達到平衡或者飽和狀態，達到變色上限。由于離子輸運需要電場驅動，而摻雜后離子在空間上發生物理位移，所以在變色結束后，即使撤去電場，電致變色器件也將保持記憶效應，不會變回到初始狀態。

當在器件兩電極加載反向偏壓后，摻雜到變色材料中的離子在電場驅動下移動回到儲存層中，材料逐漸由無色變回到初始顏色狀態，離子全部移出后，透光度達到谷值。

3 實驗設備

見表2所示。

4 光電二極管的開路電壓、短路電流和光照強度的聯系

當光照射PN結，電子吸收能量受激躍遷，擺脫原子核的束縛，成為自由電子，形成電子空穴對，并產生由P區指向N區的光生電流。由于PN結的特性，存在一正向二極管電流方向與光生電流方向相反，如圖1所示。

如圖2[1]所示，在一定的光照下，短路電流與光照成線性關系，硅光電二極管兩端檢測到的開路電壓和光照強度呈非線性（類似于對數增大）關系。

5 透過率測試平臺組建

智能玻璃透過率測試平臺的組建步驟如下。

（1）在鐵盒上表面鑿出一個直徑為1.2cm的圓孔（光電二極管的尺寸為0.9×0.9cm的正方形），使得氙燈發出的光能夠完全沒有遮擋地射進硅光電二極管，以保證實驗的準確性。接著將硅光電二極管通過電焊接固定在PCB面板上，硅光電二極管的兩電極引線用電源線正確連接，并使用Keithley2000電源表的直流電流量測功能。

（2）調整顯Keithley2400的電流箝位值至105mA以上（確保實驗過程中不因通過電源表的電流過大導致儀器啟動自我保護功能而中止Keithley2400的運行）。實驗過程中使用Keithley2400作為恒壓源，并使用智能其量測電流功能。將智能玻璃兩電極與Keithley2400的電壓輸入輸出端口正確連接好。

（3）利用GPIB數據連接線將Keithley2400和Keithley2000連接好，使兩個電源表之間實現數據共享，并用GPIB控制器的與GPIB數據線的一端正確接好，GPIB控制器的USB端口待用。

（4）打開已編程好的智能玻璃透過率測試程序。該編程可實現Voltage（控制加載在智能玻璃兩電極的電壓大小）、Current（顯示通過智能玻璃的電流）、Current Compliance（設置通過智能玻璃電流的最大值）、Keithely2400檢測到加載在智能玻璃兩電極的電流變化趨勢和實時顯示智能玻璃的透過率變化趨勢。

（5）將整個系統正確連接好后進行測試，系統的流程框圖如圖3所示。

6 透過率測量實驗

根據光電二級管的特性可知，則智能玻璃對光的透過率計算公式可等效為

（1）

其中分別表示加蓋智能玻璃和未加蓋智能玻璃后Keithley2000記錄的硅光電二極管兩端的短路電流。

為了使實驗具有可重復性，用海洋光學光纖光譜儀記錄光源為氙燈的背景光光譜圖和加蓋智能玻璃后的樣品光光譜圖，如下圖4和5所示。

搭建測試系統，進行測量（程序設置為延遲20s，用于安放智能玻璃），在金屬鐵盒上方加蓋智能玻璃后（智能玻璃兩端未加載電壓），剛開始程序記錄的智能玻璃透過率呈下降趨勢，這是因為玻璃對入射光的吸收和反射導致的光能損耗，持續一段時間后，透過率曲線趨于平穩。

將LabVIEW程序運行后記錄的時間和對應透過率數據導出，以時間為橫坐標，透過率為縱坐標，用Origin作圖，如圖6所示。

由此可得在未加載電壓的情況下，智能玻璃對光的透過率 T=0.41=41%。

7 利用光纖光譜儀獲得精準光透過率

在單色光下，輻射功率與光通量的關系為：

（2）

人眼對不同波長的光的敏感程度不同，具有相同的輻射功率而波長不同。人眼能看見的波長范圍為380～780nm，波長為555nm的光的視見函數為1，其他波長的光的視見函數均小于1，在可見光波段之外的其他波段的視見函數非常小，幾乎可以忽略。因此，只需要獲得可見光波段的輻射功率即可。

8 測量可見光波段背景光和樣品光的光通量

海洋光學的微型光纖光譜儀具有高精度的測量效果，獲得的實驗數據具有非常高的可信度。在相同的測量環境下，連接好光纖光譜儀后，采集無遮擋狀態（背景光）下不同波長的輻射功率，并計算380～780nm之間各個波長的輻射功率、對應視見函數和最大光譜光視效能三者乘積結果，即為對應波長的光通量，將光通量進行求和，所得結果即為背景光總光通量，單位：ulm。

（3）

重復上述步驟，獲取加蓋智能玻璃后的樣品光總光通量。

將所得的樣品光總光通量和參考光總光通量進行除法運算，運算結果即為該次測量所得的智能玻璃實際光透過率，精確到小數點后兩位。

（4）

9 結語

本系統采用基于LabVIEW的光透過率測量程序實現對智能玻璃透過率的實時測量，并利用光纖光譜儀對自建系統進行透過率數值校準。實驗測試結果表明，自建光透過率測試平臺測得的透過率的校正因子為6.83。

參考文獻

[1] 張瑋，楊景發，閆其庚.硅光電池特性的實驗研究[J].實驗技術與管理，2009，26（9）：43-46.