CN105489380A - 光反应性智能窗 - Google Patents
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Abstract
提供了一种光反应性智能窗。该光反应性智能窗包括：液晶层，其透光率根据紫外(UV)光的存在改变，并且其与太阳能电池组合。在白天当从太阳产生UV光时，该光反应性智能窗处于透明条件，因此，穿过其的太阳光转换成电能。此外，在傍晚且在夜里当无紫外光从太阳产生时，该光反应性智能窗处于不透明条件，因此在窗上无需窗帘。
Description
本申请要求于2014年10月1日在韩国知识产权局提交的第10-2014-0132490号韩国专利申请的权益，该韩国专利申请的公开通过引用全部包含于此。
技术领域
一个或更多个示例性实施例涉及一种光敏智能窗，更具体地讲，涉及一种能够在不使用任何外部能量的情况下根据紫外(UV)光的存在或不存在来调节透光率并且与太阳能电池结合以形成新型发电智能窗的光敏智能窗。
背景技术
在以安全方式产生清洁能量方面，能够使用太阳光直接产生电的太阳能电池被视为最具前途的未来能量产生方法。
可以通过使用光伏建筑一体化(BIPV)技术来开发太阳能电池。具体地讲，近年来，太阳能电池根据国内和国外的环境法规正被应用到绿色建筑技术和政策。例如，关于零能量建筑物和对碳排放物的管理，这种技术和政策与欧洲的EURoHSREACH、HalogenFree和WEEE、美国的CaliforniaRoHS、中国的ChinaRoHS和日本的J-Moss相关联，并且与对于韩国的电气/电子产品和汽车的资源循环的法律相关联。另外，太阳能电池可以用来产生新的和可再生的能量，并将以增长的方式应用于建筑和工业设施。
同时，考虑到无需窗帘的窗，已经大量地研究了具有可调节的透光率的智能窗。在一些情况下，智能窗应用于建筑物、车窗、汽车天窗等。用于制造这样的可切换的窗的技术根据例如电致变色材料、液晶和电泳/悬浮颗粒的材料来大致分类，并且每种技术具有独特的特点和优势。根据电致变色***来制造典型的智能窗，其需要外部能量以在透明状态与不透明状态之间进行切换。
如此，现有的智能窗的透光率根据独立施加到其的外部能来调节。智能窗用于调节太阳能电池的透光率。
发明内容
一个或更多个示例性实施例包括能够在不使用外部能量的情况下根据紫外(UV)光的存在或不存在调节透光率并且与太阳能电池结合以产生电的光反应性智能窗。
另外的方面将在随后的描述中部分地阐述，且部分地根据描述中将是明显的，或者可以通过给出的实施例的实施来获知。
根据一个或更多个示例性实施例，光反应性智能窗包括：
上偏振器和下偏振器，彼此以分隔距离布置；
液晶层，位于上偏振器和下偏振器之间，并且包括非手性向列液晶、光反应性偶氮苯化合物和手性掺杂剂；以及
太阳能电池。
太阳能电池可以设置在上偏振板的顶表面上、设置在下偏振板的下表面上、设置在上偏振器和液晶层之间或者设置在下偏振器和液晶层之间。
附图说明
根据结合附图对实施例的以下描述，这些和/或其他各方面将变得明显和更易于理解，其中：
图1示出的图描述了根据示例性实施例的在光反应性智能窗中使用的液晶层中的光透射和光拦截的原理；
图2A和图2B示出的图示出了在与反式构象、顺式构象和中间过渡态相关的条件下在示例性实施例中使用的偶氮苯化合物的能量；
图3是示出根据示例性实施例的光反应性智能窗的竖直剖视图；
图4是示出根据另一示例性实施例的光反应性智能窗的竖直剖视图；
图5是示出根据另一示例性实施例的光反应性智能窗的竖直剖视图；
图6是示出根据示例性实施例的可以在光反应性智能窗中使用的染料敏化太阳能电池的示例的竖直剖视图；
图7A和图7B示出了分别在暴露于紫外(UV)光之前的状态下和在暴露于UV光之后的状态下液晶层的图像，其中，液晶层是根据示例1制备的并且***在彼此相交的偏振器之间；
图8A和图8B示出了分别在暴露于UV光之前的状态下和在暴露于UV光之后的状态下光反应性智能窗的图像，其中，光反应性智能窗是根据示例1制备的并且包括与染料敏化太阳能电池(DSSC)结合的液晶层；
图9是用于将液晶层的透光率与在光反应性智能窗口中使用的染料的吸收波长进行比较的曲线图，其中，液晶层是根据示例1制备的并且***在彼此相交的偏振器之间；以及
图10是用于评估根据示例1制备的光反应性智能窗的“夜间模式”与“白天模式”之间的切换性能的曲线图。
具体实施方式
现在将详细参考实施例，在附图中示出了实施例的示例，其中，同样的标号始终指代同样的元件。在这方面，本实施例可以具有不同的形式并不应解释为局限于这里阐述的描述。因此，示例性实施例仅通过参照附图在下面描述以解释本描述的各方面。当诸如“……的至少一个(种)”的表达在一列元素之后时，修饰的是整列元素，而不是修饰该列的单个元素。
根据本发明构思的一方面，光反应性智能窗包括：
上偏振器和下偏振器，彼此以分隔距离(间距)布置；
液晶层，位于上偏振器与下偏振器之间，并且包括偶氮苯化合物、非手性向列液晶和手性掺杂剂；以及
太阳能电池，位于上偏振器的顶表面上、下偏振器的下表面上、上偏振器与液晶层之间或者下偏振器与液晶层之间。
在光反应性智能窗中，能够根据紫外(UV)光的存在或不存在调节透光率的液晶层可以与太阳能电池结合，从而根据周围环境和光条件在透明状态与不透明状态之间自动地切换。光反应性智能窗使用可光转换的液晶层。因此，如果光反应性智能窗在白天期间在存在UV光的情况下处于透明状态，则穿过光反应性智能窗的太阳光可以经由太阳能电池转换成电能。另外，如果光反应性智能窗在夜里在不存在UV光的情况下处于不透明状态，则光反应性智能窗可以用作无需窗帘的窗。
上偏振器和下偏振器可以彼此以直角交叉(相交)，液晶层可以插在两个偏振器之间。
液晶层可以由可光转换的液晶形成，并且可以包括非手性向列液晶、光反应性偶氮苯化合物和手性掺杂剂。
非手性向列液晶可以具有沿着液晶层的厚度方向具有螺旋轴的螺旋结构，螺旋结构的节距可以根据UV光的存在或不存在通过光反应性偶氮苯化合物来调节。
光反应性偶氮苯化合物响应于诸如UV光的外部光可以发生顺反异构化。光反应性偶氮苯化合物在不存在UV光的情况下具有反式异构体的结构，以及在存在UV光的情况下具有顺式异构体的结构。
具有反式异构结构的光反应性偶氮苯化合物缩短非手性向列液晶的螺旋结构的节距，因此，可以拦截穿过上偏振器的外部光。即，光反应性智能窗在不存在UV光的情况下处于黑暗状态。这里，黑暗状态被称作“夜间模式”。
具有顺式异构结构的光反应性偶氮苯化合物增长非手性向列液晶的螺旋结构的节距，因此，穿过上偏振器的外部光也可以穿过液晶层。即，光反应性智能窗在存在UV光的情况下处于透明状态。这里，透明状态被称作“白天模式”。
图1示出的图描述了液晶层中的光透射光拦截的原理。
参照图1，偶氮苯化合物在不存在UV光的情况下具有反式异构结构，从而具有缩短的节距的液晶拦截穿过上偏振器的光，由此提供“夜间模式”。或者，偶氮苯化合物在不存在UV光的情况下具有顺式异构结构，从而具有增长的节距的液晶允许外部光通过其穿过，由此提供“白天模式”。根据暴露于UV光，可以重复在夜间模式与白天模式之间的切换。
图8示出了根据下面示例的通过堆叠液晶层和透明太阳能电池制备的光反应性智能窗的图像。图8A中示出的光反应性智能窗处于光被拦截的状态。当图8A的光反应性智能窗暴露于外部光时，确认的是，图8A的光反应性智能窗的结构变成如图8B中示出的允许光穿过光反应性智能窗的结构。
在不受限制的情况下可以使用具有偶氮苯骨架结构的任何化合物作为被构造为具有光转换能力的偶氮苯化合物。
在示例性实施例中，偶氮苯化合物可以包括由下面的式1表示的化合物：
[式1]
在式1中，R1和R2可以均独立地为氢、取代的或未取代的C1-C30烷基、取代的或未取代的C1-C30烷氧基、取代的或未取代的C6-C30芳基、取代的或未取代的C6-C30芳氧基、取代的或未取代的C3-C30杂芳基、取代的或未取代的C3-C30杂芳氧基、取代的或未取代的C4-C30环烷基、或者取代的或未取代的C3-C30杂环烷基，
其中，芳基、芳氧基、杂芳基和杂芳氧基可以杂化到所结合的苯环的至少两个碳原子。
在另一个实施例中，偶氮苯化合物可以包括由下面的式2表示的化合物：
[式2]
在式2中，R3和R6可以均独立地为氢、取代的或未取代的C1-C30烷基、取代的或未取代的C1-C30烷氧基、取代的或未取代的C6-C30芳基、取代的或未取代的C6-C30芳氧基、取代的或未取代的C3-C30杂芳基、取代的或未取代的C3-C30杂芳氧基、取代的或未取代的C4-C30环烷基、或者取代的或未取代的C3-C30杂环烷基，
其中，芳基、芳氧基、杂芳基和杂芳氧基可以杂化到所结合的苯环的至少两个碳原子。
可以如下定义在上面的式中使用的取代基。
这里使用的术语“烷基”指完全饱和的、支链的或非支链的(例如，直的或线性的)烃。
“烷基”的非限制性示例是甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基、仲丁基、正戊基、异戊基(isopentyl)、新戊基、异戊基(iso-amyl)、正己基、3-甲基己基、2,2-二甲基戊基、2,3-二甲基戊基和正庚基。
“烷基”的至少一个氢可以被卤素、取代有卤素的C1-C20烷基(例如，CCF3、CHCF2、CH2F和CCl3)、C1-C20烷氧基、C2-C20烷氧基烷基、羟基、硝基、氰基、氨基、脒基、腈、腙、羧基或其盐、磺酰基、氨磺酰基、磺酸或其盐、C1-C20烷基、C2-C20烯基、C2-C20炔基、C1-C20杂烷基、C6-C20芳基、C6-C20芳烷基、C6-C20杂芳基、C7-C20杂芳烷基、C6-C20杂芳氧基、C6-C20杂芳氧基烷基、或者C6-C20杂芳基烷基取代。
这里使用的术语“卤素”指氟、溴、氯或碘。
这里使用的术语“取代有卤素的C1-C20烷基”指取代有至少一个卤素基团的C1-C20烷基，其非限制性示例是单卤代烷基、二卤代烷基和包括全卤代烷基的多卤代烷基。
这里使用的单卤代烷基指包含从碘、溴、氯和氟中选择的一者的烷基，这里使用的二卤代烷基和多卤代烷基指包含彼此相同或彼此不同的至少两个卤素的烷基。
这里使用的术语“烷氧基”指由烷基-O-表示的式，其中，烷基被限定为与上述相同。烷氧基的非限制性示例是甲氧基、乙氧基、丙氧基、2-丙氧基、丁氧基、叔丁氧基、戊氧基、己氧基、环丙氧基和环己氧基。烷氧基的至少一个氢可以被在上面的烷基中使用的相同取代基取代。
这里使用的术语“烷氧基烷基”指取代有以上描述的烷氧基的烷基。烷氧基烷基的至少一个氢可以被在上面的烷基中使用的相同取代基取代。如此，术语“烷氧基烷基”包括取代的烷氧基烷基部分。
这里使用的术语“烯基”指具有至少一个碳-碳双键的支链或非支链烃。其非限制性示例是乙烯基、芳基、丁烯基、异丙烯基和异丁烯基。烯基的至少一个氢可以被在上面的烷基中使用的相同取代基取代。
这里使用的术语“炔基”指具有至少一个碳-碳三键的支链或非支链烃。其非限制性示例是乙炔基、丁炔基、异丁炔基和异丙炔基。
炔基的至少一个氢可以被在上面的烷基中使用的相同取代基取代。
这里使用的术语“芳基”指单独使用或以组合方式使用的且包括至少一个环的芳香烃基。
这里使用的术语“芳基”也指芳香环稠合成至少一个环烷基环的基团。
芳基的非限制性示例是苯基、萘基和四氢萘基。
另外，芳基的至少一个氢可以被在上面的烷基中使用的相同取代基取代。
这里使用的术语“芳烷基”指取代有芳基的烷基。芳烷基的示例是苯甲基-CH2CH2-或苯基-CH2CH2-。
这里使用的术语“芳氧基”指-O-芳基，芳氧基的示例是苯氧基。芳氧基的至少一个氢可以被在烷基中使用的相同取代基取代。
这里使用的术语“杂芳基”指包括从氮(N)、氧(O)、磷(P)和硫(S)中选择的至少一种杂原子和作为剩余成环原子的碳的单环或双环有机化合物。杂芳基可以包括例如1至5个杂原子和5至10个环成员。这里，S或N可以被氧化，从而具有多个不同的氧化态。
芳氧基的至少一个氢可以被在烷基中使用的相同取代基取代。
这里使用的术语“杂芳烷基”指取代有杂芳基的烷基。
这里使用的术语“杂芳氧基”指-O-杂芳基部分。杂芳氧基的至少一个氢可以被在烷基中使用的相同取代基取代。
这里使用的术语“杂芳氧基烷基”指取代有-O-杂芳基的烷基。杂芳氧基烷基的至少一个氢可以被在烷基中使用的相同取代基取代。
这里使用的术语“碳环”指饱和的非芳香单环、双环或三环烃、或者部分地不饱和的非芳香族单环、双环或三环烃。
单环烃的示例是环戊基、环戊烯基、环己基、环己烯基等，双环烃的示例是龙脑基、十氢萘基、双环[2.1.1]己基、双环[2.2.1]庚基、双环[2.2.1]庚烯基、双环[2.2.2]辛基等。
三环烃的示例是金刚烷基。
碳环的至少一个氢可以被在烷基中使用的相同取代基取代。
这里使用的术语“杂环”基团指包含诸如N、S、P和O的杂原子的5-10元杂环基团。其示例是吡啶基。这里，杂环基团的至少一个氢可以被在烷基中使用的相同取代基取代。
这里使用的术语“杂环氧”指-O-杂环。这里，杂环氧基的至少一个氢可以被在烷基中使用的相同取代基取代。
这里使用的术语“磺酰基”指R"-SO2-，其中，R"是氢、烷基、芳基、杂芳基、芳基-烷基、杂芳基-烷基、烷氧基、芳氧基、环烷基或杂环基团。
这里使用的术语“氨磺酰基”指H2NS(O2)-、烷基-NHS(O2)-、(烷基)2NS(O2)-芳基-NHS(O2)-、烷基-(芳基)-NS(O2)-、(芳基)2NS(O)2、杂芳基-NHS(O2)-、(芳基-烷基)-NHS(O2)-或(杂芳基-烷基)-NHS(O2)-。
氨磺酰基的至少一个氢可以被在烷基中使用的相同取代基取代。
这里使用的“氨基”指N共价键合到至少一个碳或杂原子的基团。氨基的示例是-NH2、取代的部分等。另外，氨基包括N另外键合到至少一个烷基的烷基氨基以及其中N键合到独立选择的至少一个或两个芳基的“芳基氨基”和“二芳基氨基”。
在示例性实施例中，偶氮苯化合物可以包括由下面的式3表示的化合物和/或由下面的式4表示的化合物。例如，式3的化合物可以单独使用或以与式4的化合物组合使用。
[式3]
[式4]
参照图2A，在式3的化合物的反式构象与90°构象之间的中间过渡状态下的能量相对地低于式4的化合物的反式构象与90°构象之间的中间过渡状态下的能量。因此，响应于外部能(例如，UV暴露)，在式3的化合物中更可能出现反顺异构化。
然而，由于式4的化合物的能量势垒比式3的化合物的能量势垒高，因此式4的化合物可以保持其反式构象而不管是否暴露于UV。因此，式4的化合物和式3的化合物被添加在一起，从而改善非手性向列液晶在不存在UV光的情况下向其初始状态(即，黑暗状态)的恢复能力。
这里，可以以根据遮蔽的光的波长区调整的比率使用式3的化合物和式4的化合物。例如，可以以在大约1:100至大约100:1的范围内的摩尔比使用式3的化合物和式4的化合物。具体地讲，可以以在大约1:50至大约50:1、大约1:10至大约10:1或大约1:2至大约2:1的范围内的摩尔比使用式3的化合物和式4的化合物。具体地讲，可以以例如1:1的摩尔比使用式3的化合物和式4的化合物。当可以以上面的范围内的摩尔比使用式3的化合物和式4的化合物时，可以在不存在UV的情况下稳定地恢复非手性向列液晶的初始状态(即，黑暗状态)。
同时，手性掺杂剂是非光敏性材料，并用于从非手性向列液晶的螺旋结构诱导足够短的节距。任意材料可以用作手性掺杂剂，只要该材料诱导非手性向列液晶的螺旋结构而不损坏向列规则性即可。
如此，液晶层可以包括非手性向列液晶、光反应性偶氮苯化合物和手性掺杂剂，因此，可以在不需要外部能的情况下根据UV光的存在或不存在在透明状态与不透明状态之间切换光反应性智能窗的条件。另外，与太阳能电池结合的光反应性智能窗在白天处于不透明状态，由此产生电，在夜间处于黑暗状态，从而起到用于隐私的百叶窗的作用，即，处于黑暗状态的光反应性智能窗可以作为无需窗帘的窗使用。
图3示出了根据示例性实施例的光反应性智能窗的纵剖视图。
参照图3到图5，光反应性智能窗100具有包括上偏振器10、下偏振器20、液晶层30和太阳能电池40的堆叠结构。太阳能电池40可以设置在如图3中示出的上偏振器10的顶表面上、如图4中示出的下偏振器20的下表面上、上偏振器10与液晶层30之间(未示出)，或者如图5中示出的下偏振器20与液晶层30之间。在光反应性智能窗100的此堆叠结构中，太阳能电池40可以与液晶层30集成为一体。
图3到图5的每种堆叠结构具有独特的优势。例如，太阳能电池40设置在液晶层30的顶部上的图3的结构可以通过太阳能电池40完全收集入射到其上的光，而损失穿过液晶层30的入射光，从而期望相对高的电能输出。
液晶层30设置在太阳能电池40的顶部上的图4的结构由于穿过液晶层30的入射光的损失而可能具有低透光率。然而，图4的结构阻挡UV入射到太阳能电池40，从而解决由UV照射引起的寿命劣化问题。
液晶层30和太阳能电池40被夹在彼此交叉的偏振器10和偏振器20之间的图5的结构包括位于太阳能电池40的底部处的下偏振器20，由此防止由偏振器的自吸收引起的入射光的强度的降低。
太阳能电池40可以包括例如染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池、无机薄膜太阳能电池或化合物导电太阳电池。为了利用太阳能电池40作为无需窗帘的窗，太阳能电池40需要是透明的太阳能电池以允许外部光的透射。在这方面，对于太阳能电池40，由有机材料形成的染料敏化太阳能电池或有机太阳能电池可以是更优选的。
在示例性实施例中，太阳能电池40可以是染料敏化太阳能电池。
染料敏化太阳能电池40的结构不受具体限制，只要结构在本领域中是通用的即可。
例如，图6示出了根据示例性实施例的染料敏化太阳能电池的结构。如此，太阳能电池包括第一电极11、光吸收层12、电解质13和第二电极14，其中，光吸收层12包括半导体精细颗粒和染料分子。第一电极11和光吸收层12一起被视作为一个半导体电极。
透明基板可以用作第一电极11。只要基板具有透明度诸如玻璃基板，这样的透明基板不受具体限制。具有导电性和透明度的任意材料可以作为用于向透明基板提供导电性的材料，例如，可以使用导电的和透明的且尤其具有优良的热稳定性的锡基氧化物(例如，SnO2)以及作为相对低成本的材料的氧化铟锡(ITO)。
包括半导体颗粒和染料的光吸收层12的厚度可以是15μm或更小，例如，可以在大约1μm至大约15μm的范围内，因为光吸收层12由于其结构而具有高的串联电阻，并且增加的串联电阻引起转换效率的减小。因此，光吸收层12的厚度被控制为15μm或更小，以维持其功能并将串联电阻维持在低水平以及防止转换效率的减小。
包括在光吸收层12中的半导体颗粒可以包括单元素半导体(例如硅)、化合物半导体和钙钛矿化合物。这里使用的半导体可以是n型半导体，其由于因光激发而作为载流子射出的电子而提供阳极电流。具体地讲，这里使用的半导体颗粒可以是二氧化钛(TiO2)、SnO2、ZnO、WO3、Nb2O5、TiSrO3等，例如可以是锐钛矿型TiO2。另外，这里使用的半导体颗粒不限于此，并且这样的半导体颗粒可以单独使用或至少组合使用。如此，半导体颗粒可以具有用于吸收在半导体颗粒的表面上的染料的大表面面积，以吸收大量的光。在此情况下，半导体颗粒可以具有20nm或更小的颗粒直径。
可以在不受限制的情况下使用在太阳能电池中通常使用的任意染料作为包括在光吸收层12中的染料，例如，可以使用钌(Ru)络合物。然而，可以在不受限制的情况下使用具有电荷分离能力和敏化作用的任意染料作为包括在光吸收层12中的染料。除了Ru络合物之外，包括在光吸收层12中的染料的示例是：诸如碱性染料的黄嘌呤类染料，诸如若丹明B、玫瑰红(rosebengal)、曙红(eosin)和赤藓红(erythrosine)；诸如喹啉氰(quinocyanine)和血红氰(kryptocyanine)的氰类染料；诸如酚藏花红(phenosafranine)、硫氰酸盐(thiocynatesalt)和亚甲基蓝(methyleneblue)的碱性染料；诸如叶绿素、卟啉锌和卟啉镁的卟啉类化合物；偶氮染料；诸如酞菁化合物和钌联吡啶(rutheniumtrisbipyridyl)的络合化合物；蒽醌类染料；以及多环醌类染料。上述染料可以单独使用或与钌络合物结合使用，以改善在具有长波长的可见光的吸光度，并进一步改善光转换效率。钌络合物的示例是RuL2(SCN)2、RuL2(H2O)2、RuL3、RuL2等(其中，L表示2,2'-联吡啶-4,4'-二羧酸酯(盐))。
为了将染料吸收到光吸收层12上，例如，制备其中分散染料的溶液并用于允许光吸收层12的沉淀。这里，只要染料被吸收到光吸收层12上，溶液中的染料的浓度不受具体限制。这里使用的溶剂可以包括乙醇、异丙醇、乙腈、戊腈等，但不限于此。在本领域中可用的任何材料可以用作溶剂。
制造光吸收层12的方法如下。半导体的精细颗粒的表面被喷射、涂覆或浸渍在分散有上面的式1的有机金属络合物的溶液中，然后清洗并干燥，从而制造光吸收层12。在预先在第一电极上形成半导体之后，可以制造光吸收层12。用于分散有机金属络合物的溶剂不受具体限制，其示例是乙腈、二氯甲烷、醇类溶剂等。
电解质13由液体电解质形成，并可以形成为包括光吸收层12或形成为允许液体电解质在光吸收层12中渗透。电解质13可以是例如碘的乙腈溶液，但不限于此。可以使用能够传导空穴的任何源。
在本领域中可用的任何导电剂可以用于第二电极14。另外，如果导电层设置在面对半导体电极的一侧上，那么可以使用绝缘材料。然而，可以使用电化学稳定的材料作为电极，其详细示例是铂、金和碳。另外，考虑到改善对氧化还原反应的催化效果，面对半导体电极的一侧可以具有表面面积增加的微结构。例如，可以将铂材料制备成铂黑，并可以将碳材料制备成多孔材料。可以根据使用铂的阳极氧化法或使用氯铂酸的处理来制备这样的铂黑，并且可以通过烧结碳颗粒或烧结有机聚合物来制备这样的多孔碳材料。
制造染料敏化太阳能电池的方法在本领域中是众所周知的，并对本领域这些技术人员是明显的，因此将省略对其的详细描述。
以下，将参照随后的示例更详细地描述一个或更多个实施例。然而，这些示例仅是出于举例说明的目的，而不意图限制一个或更多个实施例的范围。
示例1
将7wt％的偶氮苯化合物(其中，式1的化合物与式2的化合物以10:1的摩尔比混合)与7wt％的手性掺杂剂R2011(MerckKGaA)混合，然后混合物分散在向列主体E7(MerckKGaA)中。将所得的手性向列LC混合物填充在厚度为5μm的电池中，然后，插在彼此以直角交叉的偏振器之间。沿着与玻璃基板的内表面平行的相反方向向电池涂覆具有耐磨性的聚酰亚胺取向层。
如下制备染料敏化太阳能电池(DSCC)。
利用具有在大约15nm至20nm的范围内的颗粒直径的氧化钛颗粒的分散溶液将掺杂氟的氧化锡(FTO)透明导体涂覆到0.18cm2的面积。然后，根据在500℃的温度下执行30分钟的烧结工艺，制备厚度为15μm的多孔氧化钛厚膜。然后，使用0.2mM的溶解在乙醇中的N719染料溶液使多孔氧化钛厚膜经受吸附处理达至少18小时。此后，用乙醇清洗染料吸附的多孔氧化钛厚膜，然后干燥以制备半导体电极。
为了制备对电极，通过使用溅射在FTO透明导体上沉积铂(Pt)层。对电极具有通过使用钻孔机(0.6mm)制得的小孔以便于电解质溶液的注入。
然后，将厚度为60μm的热塑性聚合物膜置于半导体电极与对电极之间，然后在90℃的温度下按压10秒。因此，两个电极彼此结合。这里使用的金属电极具有薄的厚度(5nm)以增加透光率。通过对电极中的小孔注入氧化还原电解质，然后通过盖玻璃和热塑性聚合物膜密封小孔，从而完成DSCC的制造。这里使用的氧化还原电解质是0.62M的1-甲基-3-丙基碘化咪唑鎓、0.1M的LiI、0.5M的I2和0.5M的4-叔丁基吡啶溶于乙腈中的溶液。
将如上面描述所制备的DSCC置于液晶层之下以如图4中所示进行集成，由此制造光反应性智能窗。
如下测量制造的装置的特性和性能。
使用配备有作为光源的300W氙灯的SAN-EIELECTRIC太阳能模拟器和AM1.5G滤波器来测量AM1.5G太阳能光谱。将100mWcm-2的照射强度调节到标准硅太阳能电池的照射强度，通过使用Keithely2400装置测量电流密度。通过使用VARIAN5000紫外-可见分光光度计测量透光率。
评价示例1：用于根据UV暴露的液晶层的切换性能的实验
在不存在DSCC的情况下，根据示例1制备的并插在彼此交叉的偏振器之间的液晶层暴露于太阳能模拟器(AM1.5G，100mWcm-2太阳条件)60秒。图7A和图7B示出了分别在暴露于UV光之前的状态下和在暴露于UV光之后的状态下的液晶层的图像。
参照图7A和图7B，图7A示出了液晶层在暴露于UV光之前处于黑暗状态，图7B示出了液晶层在暴露于UV光之后处于透明条件。使用具有相对低的UV强度的室内光未实现在暴露于UV光时向透明条件的转换。
根据示例1制备的智能窗(即，包括与DSCC结合的液晶层的智能窗)在相同的条件下暴露于UV光。图8示出了分别在暴露于UV光之前的状态下和在暴露于UV光之后的状态下的智能窗的图像。
参照图8A和图8B，图8A示出了智能窗在暴露于UV光之前处于黑暗条件，图8B示出了智能窗在暴露于UV光之后处于透明条件。即，图像显示出，智能窗可以根据液晶层的模式转换性能处于黑暗条件或处于透明条件。
评价示例2：液晶层的透光率的评价
通过使用紫外-可见分光光度计来测量根据示例1制备的并插在彼此交叉的偏振器之间的液晶层的透光率，结果示出在图9中。
参照图9，确认的是，液晶层在染料或三聚物钌络合物吸收光的大约550nm的波长处改善了DSCC中的透光率。
评价示例3：智能窗的性能评价
为了确认在“夜间模式”和“白天模式”中的示例2的智能窗的切换性能，如下评价智能窗。
首先，为了确认智能窗在不存在UV光的情况下是否保持在夜间模式下，使用395nm截止的长通滤波器拦截由太阳能模拟器产生的UV。液晶层处于黑暗条件下，智能窗展示出类似暗光电二极管的行为。
然后，为了确认智能窗是否从“夜间模式”切换到“白天模式”，从太阳能模拟器中移除395nm截止的长通滤波器，然后，以2秒间隔内测量通过智能窗的光电流。与作为时间函数的智能窗的电流密度有关的评价结果示出在图10中。
如图10中所示，智能窗的电流密度随着暴露于UV光的时间增长而增加。另外，确认的是，由于通过智能窗的光电流在60秒内达到饱和，因此智能窗从夜间模式快速地切换到白天模式。
如上所述，根据上面的示例性实施例中的一个或更多个，光反应性智能窗可以在不需要外部能量的情况下根据UV光的存在来调节透光率，并且可以与太阳能电池结合以产生电。当产生UV光时，光反应性智能窗在白天处于透明状态，从而穿过窗的太阳光可以转换成电能。或者，当没有产生UV光时，光反应性智能窗在傍晚和在夜里处于不透明状态，因此，可以用作无需窗帘的窗。
应理解的是，这里描述的示例性实施例应仅以描述性的含义来考虑，而不是出于限制的目的。在每个实施例内的特征或方面的描述通常应被视为可用于在其它实施例中的其它相似特征或方面。
尽管已经参照附图描述了一个或更多个示例性实施例，然而本领域普通技术人员将理解的是，在不脱离如由权利要求限定的本发明构思的精神和范围的情况下，可以在此做出形式和细节上的各种改变。
Claims (13)
1.一种光反应性智能窗，所述光反应性智能窗包括：
上偏振器和下偏振器，彼此以分隔距离布置；
液晶层，位于上偏振器与下偏振器之间，并包括非手性向列液晶、光反应性偶氮苯化合物和手性掺杂剂；以及
太阳能电池，设置在上偏振器的顶表面上、设置在下偏振器的下表面上、设置在上偏振器和液晶层之间或者设置在下偏振器和液晶层之间。
2.根据权利要求1所述的光反应性智能窗，其中，上偏振器和下偏振器以直角交叉。
3.根据权利要求1所述的光反应性智能窗，其中，非手性向列液晶具有在液晶层的厚度方向上具有螺旋轴的螺旋结构，
其中，根据紫外光的存在或不存在，螺旋结构的节距经由偶氮苯化合物来调节。
4.根据权利要求3所述的光反应性智能窗，其中，非手性向列液晶的螺旋结构的节距随着紫外光的不存在而减小，并且随着紫外光的存在而增大。
5.根据权利要求1所述的光反应性智能窗，其中，偶氮苯化合物被构造成在不存在紫外光的情况下为反式异构体以及在存在紫外光的情况下为顺式异构体。
6.根据权利要求1所述的光反应性智能窗，其中，所述偶氮苯化合物包括由下面的式1表示的化合物：
其中，R1和R2均独立地为氢、取代的或未取代的C1-C30烷基、取代的或未取代的C1-C30烷氧基、取代的或未取代的C6-C30芳基、取代的或未取代的C6-C30芳氧基、取代的或未取代的C3-C30杂芳基、取代的或未取代的C3-C30杂芳氧基、取代的或未取代的C4-C30环烷基、或者取代的或未取代的C3-C30杂环烷基，
其中，芳基、芳氧基、杂芳基和杂芳氧基被杂化到所结合的苯环的至少两个碳原子。
7.根据权利要求1所述的光反应性智能窗，其中，偶氮苯化合物包括由下面的式2表示的化合物：
其中，R3到R6均独立地为氢、取代的或未取代的C1-C30烷基、取代的或未取代的C1-C30烷氧基、取代的或未取代的C6-C30芳基、取代的或未取代的C6-C30芳氧基、取代的或未取代的C3-C30杂芳基、取代的或未取代的C3-C30杂芳氧基、取代的或未取代的C4-C30环烷基、或者取代的或未取代的C3-C30杂环烷基，
其中，芳基、芳氧基、杂芳基和杂芳氧基被杂化到所结合的苯环的至少两个碳原子。
8.根据权利要求6所述的光反应性智能窗，其中，偶氮苯化合物包括由下面的式3表示的化合物或者式3的化合物与由下面的式4表示的化合物的混合物：
9.根据权利要求8所述的光反应性智能窗，其中，式3的化合物和式4的化合物以在大约1:100至大约100:1的范围内的摩尔比混合。
10.根据权利要求1所述的光反应性智能窗，其中，光反应性智能窗在不存在紫外光的情况下是不透明的，以及在存在紫外光的情况下是透明的。
11.根据权利要求1所述的光反应性智能窗，其中，太阳能电池是透明的。
12.根据权利要求1所述的光反应性智能窗，其中，太阳能电池是染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池、无机薄膜太阳能电池或者化合物半导体太阳能电池。
13.根据权利要求1所述的光反应性太阳能电池，其中，太阳能电池是染料敏化太阳能电池。
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