СЛОИ ДЛЯ МИНИМИЗАЦИИ ВЛИЯНИЯ ДЕФЕКТОВ В ЭЛЕКТРОХРОМНЫХ УСТРОЙСТВАХ
DEFECT-MITIGATION LAYERS IN ELECTROCHROMIC DEVICES

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
Данная заявка заявляет приоритет по предварительной заявке на патент США №13/763505, поданной 8 февраля 2014 г., которая является частично продолжающей заявкой РСТ заявки PCT/US 2012/057606, поданной 27 сентября 2012 г., заявляющей приоритет по предварительной заявке на патент США №61/541999, описание которых полностью включено в данную заявку посредством ссылки.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Электрохромизм - явление, при котором проявляется обратимое изменение оптического свойства материала, обусловленное его электрохимическими свойствами, при изменении электронного состояния материала, как правило, изменении напряжения. Оптическим свойством, как правило, является одно или более из цвета, пропускания, поглощения и отражения. Например, электрохромные материалы могут входить в состав окон и зеркал. Цвет, пропускание, поглощение и/или отражение таких окон и зеркал могут быть изменены путем активации изменения электрохромного материала. При этом электрохромная технология, аппаратные средства, а также связанные с ними способы изготовления и/или их применения требуют усовершенствования, поскольку обычные электрохромные окна характеризуются высокой дефектностью и низкой технологичностью.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
10
В данной заявке описаны конструкция электрохромного устройства, а также процесс изготовления электрохромных устройств. В некоторых вариантах реализации изобретения в устройствах и способах используют дополнительный изолирующий слой для минимизации влияния дефектов, который отделяет электропроводящие слои и/или электрохромно активные слои от контактных слоев с противоположной полярностью, а также препятствует возникновению короткого замыкания в областях, в которых образовался дефект. В некоторых вариантах реализации изобретения с помощью инкапсулирующего слоя выполняют инкапсуляцию частиц, а также препятствуют выталкиванию частиц из структуры устройства и риску возникновения короткого замыкания при осаждении последующих слоев. В некоторых вариантах реализации изобретения изолирующий слой имеет удельное поверхностное электрическое сопротивление в пределах от около 1 до 5×10 Ом⋅см. В некоторых вариантах реализации изобретения изолирующий слой содержит один или более следующих оксидов металлов: оксид церия, оксид титана, оксид алюминия, оксид цинка, оксид олова, оксид кремния-алюминия, оксид вольфрама, оксид вольфрама-никеля, оксид тантала и оксидированный оксид индия-олова. В некоторых вариантах реализации изолирующий слой содержит нитрид, карбид, оксинитрид или оксикарбид, например, нитрид, карбид, оксинитрид и оксикарбид аналогов перечисленных оксидов. В качестве примера, изолирующий слой содержит один или более следующих нитридов металлов: нитрид титана, нитрид алюминия, нитрид кремния и нитрид вольфрама. Изолирующий слой может также содержать смесь или другую комбинацию оксидных и нитридных материалов (например, оксинитрид кремния).
Один аспект данного изобретения относится к электрохромным устройствам, которые характеризуются следующими компонентами: (а) подложка; (b) первый электродный слой, расположенный на подложке, причем первый электродный слой содержит первый прозрачный материал с электронной проводимостью; (с) электрохромная структура, содержащая электрохромный слой, выполненный из электрохромного материала и противоэлектродный слой, выполненный из материала противоэлектрода; (d) второй электродный слой, осажденный на электрохромную структуру, причем второй электродный слой содержит второй прозрачный материал с электронной проводимостью; и (е) изолирующий слой для минимизации влияния дефектов, содержащий практически прозрачный и электронно-изолирующий материал. Изолирующий материал располагают в (i) местоположении между промежуточным положением в пределах электрохромного слоя и положением электродного слоя, с которым электрохромный слой имеет непосредственный электрический контакт, или в (ii) местоположении между промежуточным положением в пределах противоэлектродного слоя и положением электродного слоя, с которым противоэлектродный слой имеет непосредственный электрический контакт. В некоторых вариантах реализации изобретения электрохромная структура имеет градиентный состав.
В некоторых вариантах реализации изобретения электрохромный материал является катодно-окрашиваемым электрохромным материалом, а материал противоэлектрода является анодно-окрашиваемым электрохромным материалом. Электрохромный слой граничит с первым электродным слоем, а противоэлектродный слой граничит со вторым электродным слоем. В качестве электрохромного материала может использоваться оксид вольфрама. В качестве материала противоэлектрода может использоваться оксид вольфрама-никеля. Электрохромная структура может также содержать ион-проводящий слой, расположенный между электрохромным слоем и противоэлектродным слоем.
В таких вариантах реализации изобретения изолирующий слой для минимизации влияния дефектов может быть расположен в устройстве в различных местоположениях. Например, изолирующий слой может быть расположен в местоположении между промежуточным положением в пределах противоэлектродного слоя и положением второго электродного слоя. В некоторых случаях изолирующий слой располагают в промежуточном положении в пределах противоэлектродного слоя. В некоторых случаях изолирующий слой для минимизации влияния дефектов располагают между противоэлектродным слоем и вторым электродным слоем, в контакте со вторым электродным слоем.
В некоторых вариантах реализации изобретения электрохромный материал является катодно-окрашиваемым электрохромным материалом, а материал противоэлектрода является анодно-окрашиваемым электрохромным материалом, причем электрохромный слой граничит со вторым электродным слоем, а противоэлектродный слой граничит с первым электродным слоем. В некоторых вариантах реализации изобретения изолирующий слой для минимизации влияния дефектов располагают в местоположении между промежуточным положением в пределах электрохромного слоя и положением второго электродного слоя. В других вариантах реализации изобретения изолирующий слой для минимизации влияния дефектов располагают в промежуточном положении в пределах электрохромного слоя. Еще в других вариантах реализации изобретения изолирующий слой для минимизации влияния дефектов располагают между электрохромным слоем и вторым электродным слоем в контакте со вторым электродным слоем.
В некоторых вариантах реализации изобретения электрохромная структура не содержит отдельно осажденного ион-проводящего слоя. В некоторых вариантах реализации изобретения число видимых точечных дефектов, вызванных коротким замыканием в электрохромном устройстве, не превышает около 0,005 на квадратный сантиметр. В некоторых случаях электрохромная структура является полностью твердотельной и неорганической.
Электрохромное устройство может дополнительно содержать второй изолирующий слой для минимизации влияния дефектов, расположенный в непосредственной близости к первому электродному слою. В таких устройствах оба изолирующих слоя для минимизации влияния дефектов могут быть расположены между первым и вторым электродными слоями.
В некоторых вариантах реализации изобретения подложка содержит только стекло или другой структурный компонент. В таких случаях первый электродный слой непосредственно контактирует с подложкой. В других вариантах реализации изобретения устройство содержит один или более слоев между подложкой и первым электродным слоем. Например, один из слоев между подложкой и первым электродным слоем может быть диффузионно-барьерным слоем.
В некоторых вариантах реализации изобретения электрохромный слой содержит два подслоя, каждый из которых содержит оксид вольфрама, при этом концентрация кислорода в одном из подслоев выше, чем в другом подслое. Например, в таких вариантах реализации изобретения противоэлектродным слоем является оксид вольфрама-никеля.
Изолирующий слой для минимизации влияния дефектов может быть выполнен из разных материалов, имеющих различные свойства. В некоторых вариантах реализации изобретения изолирующий слой для минимизации влияния дефектов может быть выполнен из оксида металла, нитрида металла, карбида металла, оксинитрида металла или оксикарбида металла. Например, изолирующим слоем для минимизации влияния дефектов может быть оксид металла, который выбирают из группы, включающей оксид алюминия, оксид титана, оксид тантала, оксид церия, оксид цинка, оксид олова, оксид кремния-алюминия, оксид вольфрама, оксид вольфрама-никеля и оксидированный оксид индия-олова. Кроме того, изолирующий слой для минимизации влияния дефектов может быть выполнен из нитрида металла, который выбирают из группы, включающей нитрида титана, нитрида алюминия, нитрида кремния, нитрида тантала и нитрида вольфрама. Более того, изолирующий слой для минимизации влияния дефектов может быть выполнен из карбида металла, который выбирают из группы, включающей карбид титана, карбид алюминия, карбид кремния, карбид тантала, и карбид вольфрама. В некоторых устройствах изолирующий слой для минимизации влияния дефектов содержит два различных электронно-изолирующих материала. Например, изолирующий слой для минимизации влияния дефектов может содержать частицы полировального материала.
15
Изолирующий слой для минимизации влияния дефектов может иметь толщину от 5 нм до 500 нм. В некоторых вариантах реализации изобретения изолирующий слой имеет удельное поверхностное электрическое сопротивление в пределах от 1 Ом⋅см до 10Ом⋅см. В некоторых вариантах реализации изобретения изолирующий слой для минимизации влияния дефектов является ион-проводящим.
Другой аспект изобретения относится к способам изготовления электрохромных устройств, который характеризуется следующими операциями: (а) формирование электрохромной структуры на первом электродном слое, расположенном на подложке, при этом электрохромная структура содержит электрохромный слой, выполненный из электрохромного материала, а также противоэлектродного слоя, выполненного из материала противоэлектрода, и при этом первый электродный слой содержит первый прозрачный материал с электронной проводимостью; (b) формирование изолирующего слоя для минимизации влияния дефектов в пределах, под или на электрохромной структуре, при этом изолирующий слой для минимизации влияния дефектов содержит практически прозрачный электронно-изолирующий материал; и (с) формирование второго электродного слоя поверх электрохромной структуры, при этом второй электродный слой содержит второй прозрачный материал с электронной проводимостью. Изолирующий слой для минимизации влияния дефектов располагают в (i) местоположении между промежуточным положением в пределах электрохромного слоя и положением электродного слоя, с которым электрохромный слой имеет самый непосредственный электрический контакт или (ii) местоположении между промежуточным положением в пределах противоэлектродного слоя и положением электродного слоя, с которым противоэлектродный слой имеет самый непосредственный электрический контакт.
В некоторых вариантах реализации изобретения электрохромный слой содержит катодно-окрашиваемый электрохромный материал, причем электрохромный слой формируют перед формированием в электрохромной структуре противоэлектродного слоя. В некоторых вариантах реализации изобретения изолирующий слой для минимизации влияния дефектов формируют между электрохромным слоем и первым электродным слоем, причем изолирующий слой для минимизации влияния дефектов находится в непосредственном контакте с первым электродным слоем. В других вариантах реализации изобретения изолирующий слой для минимизации влияния дефектов формируют между противоэлектродным слоем и вторым электродным слоем, причем изолирующий слой для минимизации влияния дефектов находится в непосредственном контакте со вторым электродным слоем. В других случаях изолирующий слой для минимизации влияния дефектов формируют в пределах противоэлектродного слоя. В еще других вариантах реализации изобретения изолирующий слой для минимизации влияния дефектов формируют в пределах электрохромного слоя. В некоторых таких вариантах реализации изобретения способ дополнительно включает формирование или полирование второго изолирующего слоя для минимизации влияния дефектов между первым электродным слоем и электрохромным слоем.
В некоторых вариантах реализации изобретения электрохромный слой содержит катодно-окрашиваемый электрохромный материал, причем электрохромный слой формируют после формирования в электрохромной структуре противоэлектродного слоя. В некоторых таких вариантах реализации изобретения способ дополнительно включает формирование или полирование второго изолирующего слоя для минимизации влияния дефектов между первым электродным слоем и противоэлектродным слоем. В некоторых таких вариантах реализации изобретения изолирующий слой для минимизации влияния дефектов формируют между электрохромным слоем и вторым электродным слоем, причем изолирующий слой для минимизации влияния дефектов находится в непосредственном контакте со вторым электродным слоем. В других вариантах реализации изобретения изолирующий слой для минимизации влияния дефектов формируют в пределах электрохромного слоя. В еще других вариантах реализации изобретения изолирующий слой для минимизации влияния дефектов формируют в пределах противоэлектродного слоя. В еще других вариантах реализации изобретения изолирующий слой для минимизации влияния дефектов формируют между противоэлектродным слоем и первым электродным слоем, причем изолирующий слой для минимизации влияния дефектов находится в контакте с первым электродным слоем.
В отдельных вариантах реализации изобретения операцию формирования электрохромной структуры выполняют без осаждения ион-проводящего слоя. В отдельных вариантах реализации изобретения электрохромная структура является полностью твердотельной и неорганической. Например, в качестве электрохромного материала может быть использован оксид вольфрама. В некоторых способах в качестве материала противоэлектрода может быть использован оксид вольфрама-никеля. В некоторых способах формирование электрохромной структуры включает формирование электрохромного слоя, состоящего из двух подслоев, каждый из которых содержит оксид вольфрама, причем подслои содержат различную концентрацию кислорода.
15
Могут быть использованы способы осаждения изолирующих слоев для минимизации влияния дефектов различных типов. В некоторых вариантах реализации изобретения изолирующий слой для минимизации влияния дефектов содержит оксид металла, нитрид металла, карбид металла, оксинитрид металла или оксикарбид металла. Например, изолирующий слой для минимизации влияния дефектов может быть выполнен из оксида металла, который выбирают из группы, состоящей из оксида алюминия, оксида титана, оксида тантала, оксида церия, оксида цинка, оксида олова, оксида кремния-алюминия, оксида вольфрама, оксида вольфрама-никеля и окисленного оксида индия-олова. В качестве альтернативного варианта изолирующий слой для минимизации влияния дефектов может быть выполнен из нитрида металла, который выбирают из группы, состоящей из нитрида титана, нитрида алюминия, нитрида кремния, нитрида тантала и нитрида вольфрама. Более того, изолирующий слой для минимизации влияния дефектов содержит карбид металла, который выбирают из группы, состоящей из карбида титана, карбида алюминия, карбида кремния, карбида тантала и карбида вольфрама. В некоторых устройствах изолирующий слой для минимизации влияния дефектов содержит два различных электронно-изолирующих материала. Например, изолирующий слой для минимизации влияния дефектов может содержать частицы полировального материала. В некоторых случаях изолирующий слой имеет удельное электрическое сопротивление в пределах от 1 Ом⋅см до 10 Ом⋅см.
Формирование изолирующего слоя для минимизации влияния дефектов может включать формирование двух различных электронно-изолирующих материалов. Например, формирование изолирующего слоя для минимизации влияния дефектов включает полирование изолирующего слоя на подложке согласно технологическому процессу, причем один из указанных электронно-изолирующих материалов содержит частицы полировального материала. В некоторых таких примерах изолирующий слой на подложке содержит диоксид титана. В некоторых вариантах реализации изобретения формирование изолирующего слоя для минимизации влияния дефектов включает полирование первого электродного слоя на подложке, причем электронно-изолирующий материал содержит частицы полировального материала.
В некоторых способах один или более слоев располагают между подложкой и первым электродным слоем. Например, один из слоев между подложкой и первым электродным слоем может быть диффузионно-барьерным слоем.
В некоторых вариантах реализации изобретения способ дополнительно включает формирование второго изолирующего слоя для минимизации влияния дефектов. Оба изолирующих слоя для минимизации влияния дефектов могут быть расположены между первым и вторым электродными слоями.
В различных вариантах реализации изобретения способы дополнительно включают осаждение лития по меньшей мере на часть электрохромной структуры. В некоторых случаях осаждение лития выполняют до формирования изолирующего слоя для минимизации влияния дефектов.
Другой аспект изобретения относится к электрохромным устройствам, которые характеризуются следующими компонентами: (а) подложкой; (b) первым электродным слоем, расположенным на подложке, причем первый электродный слой содержит первый прозрачный материал с электронной проводимостью; (с) электрохромной структурой, содержащей электрохромный слой, выполненный из электрохромного материала, и противоэлектродный слой, выполненный из материала противоэлектрода; (d) вторым электродным слоем, осажденным на электрохромную структуру, причем второй электродный слой содержит второй прозрачный материал с электронной проводимостью; и (е) изолирующим слоем для минимизации влияния дефектов, содержащим практически прозрачный и электронно-изолирующий материал. В различных вариантах реализации изобретения электрохромные устройства содержат второй изолирующий слой для минимизации влияния дефектов, причем второй изолирующий слой для минимизации влияния дефектов располагают на или в электрохромной структуре.
В устройствах по данному аспекту изобретения изолирующий слой для минимизации влияния дефектов может быть выполнен из различных материалов и может иметь различные свойства. В некоторых вариантах реализации изобретения изолирующий слой для минимизации влияния дефектов содержит оксид металла, нитрид металла, карбид металла, оксинитрид металла или оксикарбид металла. Например, изолирующий слой для минимизации влияния дефектов может быть выполнен из оксида металла, который выбирают из группы, состоящей из оксида алюминия, оксида титана, оксида тантала, оксида церия, оксида цинка, оксида олова, оксида кремния-алюминия, оксида вольфрама, оксида вольфрама-никеля и окисленного оксида индия-олова. В качестве альтернативного варианта изолирующий слой для минимизации влияния дефектов может быть выполнен из нитрида металла, который выбирают из группы, состоящей из нитрида титана, нитрида алюминия, нитрида кремния, нитрида тантала и нитрида вольфрама. Более того, изолирующий слой для минимизации влияния дефектов содержит карбид металла, который выбирают из группы, состоящей из карбида титана, карбида алюминия, карбида кремния, карбида тантала и карбида вольфрама. В некоторых устройствах изолирующий слой для минимизации влияния дефектов содержит два различных электронно-изолирующих материала. Например, изолирующий слой для минимизации влияния дефектов может содержать частицы полировального материала. В различных вариантах реализации данного аспекта изолирующий слой для минимизации влияния дефектов имеет толщину в диапазоне около 5-100 нм.
В некоторых случаях изолирующий слой для минимизации влияния дефектов содержит оксид титана или оксид олова. В некоторых случаях изолирующий слой для минимизации влияния дефектов может содержать частицы полировального материала. В некоторых случаях изолирующий слой для минимизации влияния дефектов содержит два различных электронно-изолирующих материала.
Еще один аспект изобретения относится к электрохромным устройствам, которые характеризуются следующими компонентами: (а) подложкой; (b) первым электродным слоем, расположенным на подложке, причем первый электродный слой содержит первый прозрачный материал с электронной проводимостью; (с) электрохромной структурой, содержащей электрохромный слой, выполненный из электрохромного материала, и противоэлектродный слой, выполненный из материала противоэлектрода; (d) вторым электродным слоем, осажденным на электрохромную структуру, причем второй электродный слой содержит второй прозрачный материал с электронной проводимостью; и (е) изолирующим слоем для минимизации влияния дефектов, содержащим практически прозрачный и электронно-изолирующий материал. В некоторых вариантах реализации изобретения второй электродный слой содержит оксид индия-олова.
В устройствах по данному аспекту изобретения изолирующий слой для минимизации влияния дефектов может быть выполнен из различных материалов и может иметь различные свойства. В некоторых вариантах реализации изобретения изолирующий слой для минимизации влияния дефектов содержит оксид металла, нитрид металла, карбид металла, оксинитрид металла или оксикарбид металла. Например, изолирующий слой для минимизации влияния дефектов может быть выполнен из оксида металла, который выбирают из группы, состоящей из оксида алюминия, оксида титана, оксида тантала, оксида церия, оксида цинка, оксида олова, оксида кремния-алюминия, оксида вольфрама, оксида вольфрама-никеля и окисленного оксида индия-олова. В качестве альтернативного варианта изолирующий слой для минимизации влияния дефектов может быть выполнен из нитрида металла, который выбирают из группы, состоящей из нитрида титана, нитрида алюминия, нитрида кремния, нитрида тантала и нитрида вольфрама. Более того, изолирующий слой для минимизации влияния дефектов содержит карбид металла, который выбирают из группы, состоящей из карбида титана, карбида алюминия, карбида кремния, карбида тантала и карбида вольфрама. В некоторых устройствах изолирующий слой для минимизации влияния дефектов содержит два различных электронно-изолирующих материала. Например, изолирующий слой для минимизации влияния дефектов может содержать частицы полировального материала. В различных вариантах реализации данного аспекта изолирующий слой для минимизации влияния дефектов имеет толщину в диапазоне около 5-100 нм.
В различных вариантах реализации изолирующий слой для минимизации влияния дефектов имеет толщину в диапазоне около 5-500 нм. В некоторых вариантах реализации изобретения изолирующий слой для минимизации влияния дефектов является ион-проводящим. В некоторых вариантах реализации изобретения устройство содержит второй изолирующий слой для минимизации влияния дефектов, причем второй изолирующий слой для минимизации влияния дефектов находится внизу или в пределах электрохромной структуры.
Еще один аспект изобретения относится к способам изготовления электрохромных устройств, причем способы характеризуются следующими операциями: (а) приемом подложки в устройстве для осаждения, (b) формированием электрохромной структуры на подложке, и (с) формированием второго электродного слоя поверх электрохромной структуры, причем второй электродный слой содержит второй прозрачный материал с электронной проводимостью. Электрохромная структура содержит электрохромный слой, выполненный из электрохромного материала, а также противоэлектрод, выполненный из материала противоэлектрода. Подложка, принятая в устройстве для осаждения, содержит первый электродный слой, а также изолирующий слой для минимизации влияния дефектов, сформированный на первом электродном слое, причем первый электродный слой располагают между подложкой и изолирующим слоем для минимизации влияния дефектов, причем первый электродный слой содержит первый прозрачный материал с электронной проводимостью. Изолирующий слой является электронно-изолирующим и практически прозрачным. В некоторых вариантах реализации изобретения способы изготовления дополнительно включают формирование второго изолирующего слоя для минимизации влияния дефектов в или на электрохромной структуре.
Способы могут дополнительно включать полирование изолирующего слоя для минимизации влияния дефектов до формирования электрохромной структуры на подложке. Полирование может дополнительно выполняться как до осаждения изолирующего слоя для минимизации влияния дефектов, так и после. В одном из вариантов реализации полирование выполняется только после осаждения изолирующего слоя для минимизации влияния дефектов. В результате полирования, до и/или после осаждения слоя, изолирующий слой для минимизации влияния дефектов может содержать частицы полировального материала. Дополнительная информация о полировании содержится в международной заявке РСТ № PCT/US 2012/057606, поданной 28 сентября 2012 г., которая полностью включена в данную заявку посредством ссылки.
Изолирующий слой для минимизации влияния дефектов, изготовленный при реализации способов данного аспекта, может содержать оксид металла, нитрид металла, карбид металла, оксинитрид металла, или оксикарбид металла. Примеры таких изолирующих материалов для минимизации влияния дефектов включают оксиды металлов, выбранных из группы, состоящей из оксида алюминия, оксида церия, оксида цинка, оксида олова, оксида кремния-алюминия, оксида вольфрама, оксида вольфрама-никеля, и окисленного оксида индия-олова. В некоторых случаях изолирующий слой для минимизации влияния дефектов содержит частицы полировального материала. В некоторых случаях изолирующий слой для минимизации влияния дефектов имеет толщину в диапазоне около 5-100 нм.
Другой аспект изобретения относится к устройству для изготовления электрохромного устройства, причем устройство отличается тем, что интегрированная система осаждения содержит: (i) первую станцию для осаждения, содержащую первую мишень, которая содержит первый материал для осаждения слоя электрохромного материала на подложке при размещении подложки в первой станции для осаждения, (ii) вторую станцию для осаждения, содержащую вторую мишень, содержащую второй материал для осаждения слоя материала противоэлектрода на подложке при размещении подложки во второй станции для осаждения, и (iii) третью станцию для осаждения, выполненную с возможностью осаждения изолирующего слоя для минимизации влияния дефектов, который является электронно-изолирующим и практически прозрачным. Устройство также отличается тем, что контроллер содержит программные команды для прохождения подложки через первую и вторую станции для осаждения в порядке, при котором обеспечивается последовательное осаждение структуры на подложке, причем структура содержит слой электрохромного материала, противоэлектродный слой и изолирующий слой для минимизации влияния дефектов.
Такое устройство может дополнительно содержать четвертую станцию для осаждения, выполненную с возможностью осаждения на структуре электродного слоя, при этом электродный слой содержит прозрачный материал с электронной проводимостью. В некоторых вариантах реализации изобретения устройство дополнительно содержит станцию для осаждения лития, содержащую литиевую мишень для осаждения лития, на поверхности или в пределах слоя электрохромного материала, или на поверхности или в пределах слоя материала противоэлектрода при размещении подложки в станции для осаждения лития.
В некоторых вариантах реализации изобретения программные команды содержат команды для осаждения изолирующего слоя для минимизации влияния дефектов в (i) местоположении между промежуточным положением в пределах электрохромного слоя и положением электродного слоя, с которым электрохромный слой имеет непосредственный электрический контакт, или (ii) местоположении между промежуточным положением в пределах противоэлектродного слоя и положением электродного слоя, с которым противоэлектродный слой имеет непосредственный электрический контакт.
Еще один аспект изобретения относится к устройству для изготовления электрохромного устройства, причем устройство отличается тем, что интегрированная система осаждения содержит: (i) первую станцию для осаждения, которая содержит первую мишень, содержащую первый материал для осаждения слоя электрохромного материала на подложке при размещении подложки в первой станции для осаждения, (ii) вторую станцию для осаждения, которая содержит вторую мишень, содержащую второй материал для осаждения слоя материала противоэлектрода на подложке при размещении подложки во второй станции для осаждения, и (iii) шлифовальную установку, выполненную с возможностью полирования изолирующего слоя для минимизации влияния дефектов на подложке. Устройство также отличается тем, что контроллер содержит программные команды для прохождения подложки через первую и вторую станции для осаждения в порядке, обеспечивающем последовательное осаждение структуры на подложке, причем структура содержит слой электрохромного материала и слой материала противоэлектрода. В некоторых промышленных образцах полировальная установка выполнена с возможностью добавления в состав изолирующего слоя для минимизации влияния дефектов частиц, имеющих электрическое сопротивление.
Данное устройство дополнительно может содержать третью станцию для осаждения, выполненную с возможностью осаждения на структуру электродного слоя, при этом электродный слой содержит прозрачный электропроводящий материал. Также данное устройство может дополнительно содержать станцию для осаждения лития, содержащую литиевую мишень для осаждения лития на поверхности или в пределах слоя электрохромного материала, или на поверхности или в пределах слоя материала противоэлектрода при размещении структуры в станции для осаждения лития.
Эти и другие особенности и преимущества описанных вариантов реализации изобретения более подробно будут описаны ниже со ссылкой на соответствующие графические материалы.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
На Фиг. 1А и 1В проиллюстрированы структура и функция электрохромных устройств.
На Фиг. 2 проиллюстрирован дефект в электрохромном устройстве в виде частицы.
На Фиг. 3A-3D проиллюстрированы аспекты формирования и исправления дефекта скалывания.
На Фиг. 4А проиллюстрировано электрохромное устройство, в котором изолирующий слой для минимизации влияния дефектов располагают между вторым (например, верхним) прозрачным электропроводящим слоем и сформированным затем противоэлектродным слоем и электрохромным слоем.
На Фиг. 4В проиллюстрировано электрохромное устройство, в котором изолирующий слой для минимизации влияния дефектов располагают между двумя частями противоэлектродного слоя (или как вариант между двумя частями электрохромного слоя при формировании электрохромного слоя поверх противоэлектродного слоя).
На Фиг. 4С проиллюстрировано электрохромное устройство, в котором изолирующий слой для минимизации влияния дефектов располагают между вторым (например, верхним) прозрачным электропроводящим слоем и сформированным затем противоэлектродным слоем и электрохромным слоем, причем изолирующий слой для минимизации влияния дефектов является модифицированной формой (большее удельное сопротивление) противоэлектродного слоя (или электрохромного слоя).
На Фиг. 4D проиллюстрировано электрохромное устройство, содержащее два изолирующих слоя для минимизации влияния дефектов без ион-проводящего слоя, осажденного между электрохромным и противоэлектродным слоями.
На Фиг. 4Е проиллюстрировано электрохромное устройство, в котором инкапсулируют частицу с помощью изолирующего слоя для минимизации влияния дефектов.
На Фиг. 4F проиллюстрировано градиентное электрохромное устройство, содержащее внедренный в него слой для минимизации влияния дефектов.
На Фиг. 4G-4O представлены снимки электрохромного устройства, полученные с помощью сканирующего растрового микроскопа, иллюстрирующие различные положения изолирующего слоя для минимизации влияния дефектов в структуре устройства.
На Фиг. 5А проиллюстрирована блок-схема основного способа формирования электрохромного устройства, который может быть модифицирован путем использования одного или более изолирующих слоев для минимизации влияния дефектов.
На Фиг. 5В и 5С проиллюстрированы блок-схемы способов, включающих формирование изолирующего слоя для минимизации влияния дефектов в указанных местоположениях при выполнении последовательности операций при изготовлении устройства.
На Фиг. 5D проиллюстрирована блок-схема способа в соответствии с определенными вариантами реализации изобретения, при этом первый и второй изолирующие слои для минимизации влияния дефектов формируют как прилегающие к прозрачным проводящим слоям.
На Фиг. 5Е проиллюстрирована блок-схема способа в соответствии с определенными вариантами реализации изобретения, при этом прозрачный электропроводящий слой и изолирующий слой для минимизации влияния дефектов осаждают на подложку.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Данное изобретение относится к способам и устройству для минимизации влияния недостатков, вызванных дефектами, в электрохромных устройствах. Отдельные виды дефектов служат причиной коротких замыканий, которые приводят к весьма непривлекательным пятнам в электрохромных изделиях. Различные описанные варианты реализации изобретения относятся к добавлению в структуру электрохромного устройства дополнительного слоя. Этот дополнительный слой выполняет главную роль в создании изолирующего слоя между двумя проводящими слоями, между которыми в противном случае могло бы возникнуть короткое замыкание, если бы во время изготовления от структуры устройства была отделена частица. Ниже описывается проблема коротких замыканий, связанных с выталкиванием частицы в контексте Фиг. 3A-3D.
В одном из вариантов реализации изобретения резистивный слой, называемый иногда изолирующим слоем для минимизации влияния дефектов, осаждают во время операции, последующей за операцией, во время которой возможно выталкивание частиц. Примером этапа выброса частиц является введение металлического лития в структуру устройства (иногда именуемое в данной заявке как литирование). В некоторых случаях изолирующий слой осаждают с целью инкапсуляции осажденной в процессе изготовления частицы. При выталкивании из частично изготовленной структуры устройства появление инкапсулированных частиц менее вероятно, чем появление неинкапсулированных частиц, что приводит к короткому замыканию.
ЭЛЕКТРОХРОМНЫЕ УСТРОЙСТВА - ПРИМЕРЫ
Перед тем как возвратиться к более подробному описанию изолирующего слоя и способов внедрения изолирующего слоя будут приведены примеры конструкции и способов изготовления электрохромного устройства. На Фиг. 1А и 1В схематически представлен поперечный разрез электрохромного устройства 100, иллюстрирующий характерный для данных устройств структурный рисунок. Электрохромное устройство 100 содержит подложку 102, электропроводящий слой (CL) 104, электрохромный слой (ЕС) 106, опциональный ион-проводящий (имеющий электрическое сопротивление) слой 108, противоэлектродный слой (СЕ) 110 и еще один электропроводящий слой (CL) 112. В совокупности элементы 104, 106, 108, 110 и 112 называются электрохромной структурой 114. Включение источника напряжения 116, выполненного с возможностью подачи электрического потенциала на электрохромную структуру 112, приводит к изменению состояния электрохромного устройства, например, из неокрашенного состояния (см. Фиг. 1А) к окрашенному состоянию (см. Фиг. 1В).
Порядок слоев относительно подложки может быть изменен на обратный. То есть слои могут быть расположены в следующем порядке: подложка, электропроводящий слой, противоэлектродный слой, ион-проводящий слой, слой электрохромного материала и электропроводящий слой. Противоэлектродный слой может содержать материал, который является электрохромным или не электрохромным. Если электрохромные материалы используют как в электрохромном, так и в противоэлектродном слое, то один из них должен быть выполнен из катодно-окрашиваемого материала, а другой должен быть выполнен из анодно-окрашиваемого материала. Например, в электрохромном слое может использоваться катодно-окрашиваемый материал, а в противоэлектродном слое - анодно-окрашиваемый материал. Это применимо в случае, если электрохромным слоем является оксид вольфрама, а противоэлектродным слоем - оксид вольфрама-никеля.
Как правило, электропроводящие слои содержат прозрачные электропроводящие материалы, например, оксиды металлов, оксиды сплавов и их легированные варианты, которые часто называются "ТСО" слоями, поскольку они выполнены из прозрачных электропроводящих оксидов. При этом, как правило, прозрачные слои могут быть выполнены из любого прозрачного, электропроводящего материала, совместимого со структурой устройства. Некоторые стеклянные подложки с осажденным тонким прозрачным проводящим слоем оксида олова, например, фторированным оксидом олова, иногда называют "ТЕС".
Устройство 100 приводится с целью пояснения для облегчения понимания контекста вариантов реализации изобретения, описанных в данной заявке. Способы и устройства, описанные в данной заявке, используются с целью идентификации и уменьшения влияния дефектов в электрохромных устройствах, независимо от структуры электрохромного устройства.
При нормальной работе электрохромное устройство, например, устройство 100, обратимо циклически меняет свое состояние между неокрашенным и окрашенным. Как проиллюстрировано на Фиг. 1А, в неокрашенном состоянии, потенциал прикладывают к электродам (прозрачные электропроводящие слои 104 и 112) электрохромной структуры 114, это приводит к тому, что свободные ионы (например, ионы лития) в структуре изначально находятся в противоэлектродном слое 110. Если электрохромный слой 106 содержит катодно-окрашиваемый материал, устройство находится в неокрашенном состоянии. В некоторых электрохромных устройствах противоэлектродный слой 110 при переходе свободных ионов может рассматриваться как ион-хранящий слой.
На Фиг. 1В проиллюстрировано, что в случае, если потенциал на электрохромной структуре меняется на обратный, ионы переносятся через ион-проводящий слой 108 к электрохромному слою 106 и служат причиной перехода материала в окрашенное состояние. Кроме того, предполагается, что оптически обратимый материал в электрохромном устройстве является катодно окрашиваемым электрохромным материалом. Как проиллюстировано, в отдельных вариантах реализации изобретения обеднение материала противоэлектрода ионами приводит к его окрашиванию. Другими словами, материал противоэлектрода является анодно-окрашиваемым электрохромным материалом. Таким образом, слои 106 и 110 объединяют для синергического сокращения количества света, проходящего через структуру. В случае, если к устройству 100 прикладывается обратное напряжение, ионы переходят из электрохромного слоя 106 через ион-проводящий слой 108 и обратно в противоэлектродный слой 110. В результате устройство становится неокрашенным.
Некоторые соответствующие примеры электрохромных устройств приводятся в следующих патентных заявках США, каждая из которых полностью включена в данную посредством ссылки: заявка на патент США №12/645111, поданная 22 декабря 2009 г.; заявка на патент США №12/772055, поданная 30 апреля 2010 г.; заявка на патент США №12/645159, поданная 22 декабря 2009 г.; заявка на патент США №12/814279, поданная 11 июня 2010 г.; и заявка на патент США №13/462725, поданная 2 мая 2012 г.
Электрохромные устройства, подобные описанным в связи с Фиг. 1А и 1В, используют, например, в электрохромных окнах. Например, подложка 102 может быть архитектурным стеклом, на котором изготавливаются электрохромные устройства. Архитектурное стекло - это стекло, используемое в качестве строительного материала. Архитектурное стекло обычно используется в коммерческих зданиях, но также может использоваться в жилых зданиях и, как правило, хотя и необязательно, отделяет внутреннюю среду от наружной среды. В отдельных вариантах реализации изобретения архитектурное стекло имеет размеры по меньшей мере 20 дюймов на 20 дюймов, и может иметь гораздо большие размеры, например, вплоть до около 72 дюймов на 120 дюймов.
Чем больших размеров используются подложки для электрохромных окон, тем более желательно свести к минимуму дефекты в электрохромном устройстве, поскольку в противном случае будут страдать эксплуатационные характеристики и визуальное качество электрохромных окон. Описанные в данной заявке варианты реализации изобретения могут минимизировать влияние дефектов в электрохромных окнах.
В некоторых вариантах реализации изобретения электрохромные стекла встраивают в стеклопакет (IGU). Стеклопакет содержит несколько стекол, собранных в блок, как правило, с целью улучшения теплоизоляционных свойств газа, который содержится в пространстве, образованном блоком, обеспечивая при этом хорошую видимость через стеклопласт.Электрохромные стекла, встроенные в стеклопакеты, подобны стеклопакетам, известным в настоящее время в данной области техники, за исключением электрических зажимов для подключения электрохромного стекла к источнику напряжения.
ДЕФЕКТЫ В ЭЛЕКТРОХРОМНЫХ УСТРОЙСТВАХ
В данной заявке термин "дефект" означает точки или области электрохромного устройства, которые имеют дефекты. Как правило, дефекты являются короткими замыканиями или точечными проколами. Кроме того, дефекты могут быть охарактеризованы как видимые или невидимые. Как правило, дефект в электрохромном устройстве, а иногда область вокруг дефекта, не меняет оптического состояния (например, цвета), под действием приложенного потенциала, достаточного для окрашивания или изменения иным образом областей электрохромного устройства, не имеющих дефектов. Часто дефект будет проявляться в виде визуально заметных аномалий в электрохромных окнах или других устройствах. В данной заявке такие дефекты называются "видимые" дефекты. Другие дефекты настолько малы, что они визуально не заметны для наблюдателя при нормальных условиях эксплуатации (например, такие дефекты не приводят к появлению заметной светлой точки или "точечного прокола", когда в дневное время устройство находится в окрашенном состоянии).
Короткое замыкание является локализованным электропроводящим путем, охватывающим ион-проводящий слой (например, электропроводящий путь между двумя прозрачными электропроводящими слоями). Как правило, дефект, вызывающий видимое короткое замыкание, будет иметь физический размер порядка десятков микрометров, иногда меньше, являясь при наблюдении невооруженным глазом относительно небольшим дефектом. Однако эти относительно небольшие дефекты приводят к видимой аномалии - "гало" в окрашенных электрохромных окнах, которое может иметь размер, например, около 1 сантиметра в диаметре, иногда крупнее. Размеры гало могут быть значительно уменьшены за счет изоляции дефекта, например, очерчивания дефекта с помощью лазерного скрайбера или с помощью прямой абляции материала без очерчивания. С помощью абляции возможно удаление дефекта, создающего короткое замыкание, например, круглой, овальной, треугольной, прямоугольной или другой формы, при этом дефект электрически изолируют от остального исправно работающего устройства. Очерчивание может иметь размеры диаметром только десятки, сотни или до нескольких сотен микрометров. При очерчивании и электрическом изолировании дефекта данным способом, видимое короткое замыкание для невооруженного глаза будет напоминать только маленькую точка света в случае, если окно находится в окрашенном состоянии и при достаточном освещении с другой стороны окна. При прямой абляции, без очерчивания, не остается никакого материала ЕС устройства в области, где ранее был дефект в виде электрического короткого замыкания. Скорее всего, останется отверстие, проходящее сквозь устройство, причем в основании отверстия находится, например, флоат-стекло или диффузионный барьер или нижний прозрачный электродный материал, или их комбинация. Поскольку все эти материалы являются прозрачными, свет может проходить через основание отверстия в устройство. В зависимости от диаметра очерченного дефекта, а также ширины лазерного луча, очерченные отверстия также могут содержать небольшое количество или не содержать электрохромного материала, оставшегося в пределах очерчивания (поскольку обычно, хотя и необязательно, очерчивание выполняется как можно меньших размеров). Такие минимизированные короткие дефекты проявляются в виде наколотых световых точек при окрашенном состоянии устройства, причем такие точки обычно называют "точечными проколами". Изолирование электрического короткого замыкания путем очерчивания или прямой абляции является примером преднамеренно выполненного точечного прокола, сформированного при преобразовании гало в видимый дефект меньшего размера. Точечные проколы также могут возникать вследствие дефектов оптического устройства. В любом случае, насколько это возможно, их следует избегать.
Точечный прокол - это область, в которой отсутствуют или повреждены один или более слоев электрохромного устройства таким образом, что электрохромизм не проявляется. Точечные проколы не являются короткими замыканиями, и, как описано выше, они могут быть следствием минимизации короткого замыкания в устройстве. В некоторых вариантах реализации изобретения точечный прокол имеет размеры дефекта в диапазоне около 25-300 микрометров, обычно в диапазоне около 50-150 микрометров, при этом, в отличие от гало, его гораздо труднее различить визуально. Как правило, чтобы уменьшить видимое восприятие точечных проколов, образованных в результате минимизации ореолов, размер намеренно созданного точечного прокола ограничивают до около 100 микрометров или меньше.
В некоторых случаях короткое замыкание возникает из-за присутствия электропроводящих частиц в и/или по всему ион-проводящему слою, тем самым создавая электрический путь между противоэлектродным слоем и электрохромным слоем или прозрачным электропроводящим слоем не совместимым ни с одним из слоев. Дефект может быть также вызван наличием частиц на подложке, на которой изготавливают электрохромную структуру. В случаях, когда такие частицы приводят к отслоению слоя из-за воздействий, вызванных частицей, такой дефект иногда это называется "скалыванием". В других случаях слои не прилегают должным образом к подложке и расслаиваются, тем самым прерывая поток ионов и/или электрического тока в устройстве. Эти типы дефектов более подробно описаны ниже применительно к Фиг. 2 и 3А-3D. Расслоение или дефект скалывания может привести к короткому замыканию в случае, если он возник до осаждения прозрачного электропроводящего слоя или соответствующего ЕС или СЕ слоя. В таких случаях осажденный впоследствии прозрачный электропроводящий слой или ЕС/СЕ слой будет непосредственно контактировать с нижележащим прозрачным электропроводящим слоем или СЕ/ЕС слоем, создавая прямые электропроводящие пути. Некоторые примеры источников дефектов приводятся в таблице ниже. Приведенная ниже таблица предназначена для пояснения примеров механизмов, приводящих к различным типам видимых и не видимых дефектов. Данная таблица является неполной. Существуют дополнительные факторы, которые могут влиять на отклик ЕС окна на дефект в пределах структуры.
Полагают, что проблематичными короткими замыканиями часто являются те, в которых частица контактирует с частично изготовленным устройством до, во время или сразу после осаждения на подложку первого электрохромного слоя, а затем остается на месте непосредственно до, во время или после нанесения второго прозрачного проводящего слоя. Как более подробно описано ниже, такие короткие замыкания могут быть следствием наличия частиц, оставшихся на подложке при размещении в камере для электрохромного осаждения, или частиц, которые появляются в процессе осаждения катодного электрохромного слоя, например, слоя оксида вольфрама или появляются сразу после осаждения первого электрохромного слоя, но до осаждения какой-либо значительной толщины очередного электрохромного слоя. Как уже объяснялось, при размещении подложки в устройстве для осаждения подложка может содержать или не содержать осажденный на нее прозрачный электропроводящий слой. Проблематичные короткие замыкания также могут быть вызваны наличием частиц, контактирующих с частично изготовленным прибором во время литирования, например, литирования, выполняемого после или во время осаждения второго электрохромного слоя.
Как отмечалось выше, в случае видимого короткого замыкания дефект появится в виде светлой центральной области (в случае, если устройство находится в окрашенном состоянии) с диффузной границей таким образом, что устройство постепенно темнеет по мере удаления от центра короткого замыкания. Если присутствует значительное количество коротких замыканий (видимых или невидимых), сосредоточенных в области электрохромного устройства, в совокупности они могут оказывать воздействие на широкую область устройства, вследствие чего невозможно изменить состояние устройства в данной области. Это происходит потому, что разность потенциалов между ЕС и СЕ слоями в таких регионах не может достичь порогового уровня, необходимого для перехода ионов через ион-проводящий слой. Следует понимать, что кроме дефектов типа короткого замыкания причиной возникновения тока утечки могут быть другие источники. Другие источники включают утечку по всей ширине ион-проводящего слоя, а также появление краевых дефектов, таких как дефекты сглаживания и дефекты линии скрайбирования. В данной заявке рассматривается утечка, вызванная только точками электрического короткого замыкания через ион-проводящий слой во внутренних областях электрохромного устройства. Для того, чтобы электрохромные панели были пригодны для использования в электрохромных окнах короткие замыкания, являющиеся причиной видимых дефектов, должны быть сведены к минимуму. Условно видимые дефекты выявляют и минимизируют до объединения панелей остекления в стеклопакет или минимизируют в стеклопакете до сборки стеклопакетов в архитектурном фасаде. Однако эти операции являются дорогостоящими и трудоемкими процедурами.
На Фиг. 2 схематически проиллюстрирован поперечный разрез электрохромного устройства 200, с частицей 205 в ион-проводящем слое, которая является причиной локализованного дефекта в устройстве. В данном примере электрохромное устройство 200 содержит слои, приведенные в описании к Фиг. 1А и 1В. Источник напряжения 116 выполнен с возможностью подачи потенциала на электрохромную структуру 114 описанным выше способом с помощью соответствующих соединений (например, шин) к электропроводящим слоям 104 и 112.
В данном примере ион-проводящий слой 108 содержит проводящие частицы 205 или другой вызванный дефектом артефакт. Электропроводящая частица 205 приводит к возникновению короткого замыкания между электрохромным слоем 106 и противоэлектродным слоем 110. В данном примере частица 205 простирается на толщину IС слоя 108. Частица 205 физически препятствует потоку ионов между электрохромным слоем 106 и противоэлектродным слоем 110, а также, благодаря электропроводности, позволяет электронам проходить локально между слоями, в результате чего появляется прозрачная область 210 в электрохромном слое 106, а также прозрачная область 220 в противоэлектродном слое 110. Прозрачная область 210 присутствует в случае, когда остальные слои 110 и 106 находятся в окрашенном состоянии. То есть, если электрохромное устройство 200 находится в окрашенном состоянии, электропроводящая частица 205 влияет на области 210 и 220 электрохромного устройства таким образом, что их состояние не может измениться на окрашенное. Иногда области таких видимых дефектов называются "созвездия" или "гало", потому что они появляются в виде серии ярких пятен (или звезд) на темном фоне (остальная часть прибора находится в окрашенном состоянии). Для людей естественно обращать внимание на ореолы и то, что они часто встречаются, отвлекает или делает электрохромные устройства непривлекательными. Описанные в данной заявке варианты реализации изобретения уменьшают такие видимые дефекты. Дефекты в виде точечных проколов могут быть или могут не быть признанными пригодными для ремонта, так как они могут быть почти неразличимы невооруженным глазом для большинства наблюдателей.
Как уже упоминалось выше, видимые короткие дефекты могут также быть вызваны скалыванием частиц, например, во время или после изготовления электрохромного устройства, создавая тем самым поврежденные области электрохромной структуры через один или более слоев структуры. Дефекты скалывания более подробно описываются ниже.
На Фиг. 3А схематически проиллюстрирован поперечный разрез электрохромного устройства 300 с частицей 305 или другим осколком на проводящем слое 104 до осаждения оставшейся части электрохромной структуры. Электрохромное устройство 300 содержит те же компоненты, что и электрохромное устройство 100. Как проиллюстрировано, частица 305 служит причиной выпуклости слоев электрохромной структуры 114 в области частицы 305, причем выпуклость обусловлена конформными слоями 106-110, которые осаждают последовательно поверх частицы 305 (в данном примере электропроводящий слой 112 еще не был осажден). Не ограничиваясь конкретной теорией и с учетом того, что слои являются сравнительно тонкими, полагают, что расслоение над такими частицами может вызвать напряжение в области образования выпуклости. В частности, в каждом слое по всему периметру выпуклой области в слое могут присутствовать дефекты, например, в структурной решетке или на более макроскопическом уровне, трещины или пустоты. Одним из последствий данных дефектов может быть, например, короткое замыкание между электрохромным слоем 106 и противоэлектродным слоем 110 и/или потеря ионной проводимости в слое 108. Сглаживание под частицей является еще одним потенциальным источником короткого замыкания. Однако данные дефекты не проиллюстрированы на Фиг. 3А.
Ссылаясь на Фиг. 3В, другое следствие вызванных частицей 305 дефектов называется "скалывание". В данном примере перед осаждением электропроводящего слоя 112 удаляют часть над электропроводящим слоем 104 в области частицы 305, при этом захватывая части электрохромного слоя 106, ион-проводящего слоя 108 и противоэлектродного слоя 110. "Скалывание" - это фрагмент 310, содержащий частицу 305, часть электрохромного слоя 106, а также ион-проводящего слоя 108 и противоэлектродного слоя 110. В результате имеются открытые участки электропроводящего слоя 104 в нижней части бороздки, оставшейся после того, как фрагмент 310 был извлечен из структуры слоистых материалов. Полагают, что скалыванию, как правило, способствуют определенные технологические операции. Одна из таких операций - осаждения лития. На Фиг. 3С проиллюстрирована частица "большого" размера 320, сформированная в структуре 300. Такая частица по толщине охватывает нескольких слоев (в данном примере электрохромный слой 106, ион-проводящий слой 108, а также противоэлектродный слой 110). Хотя части слоев 106, 108 и 110 и формируют поверх частиц 320, они, фактически, составляют часть самой частицы, которая выступает выше верхней части слоя 110. В некоторых случаях частицы 320 самопроизвольно скалываются без применения этапа, содействующего выталкиванию частицы, например, литирования. В других случаях частица 320 удаляется путем использования этапа удаления частиц, применяемого целенаправленно для удаления частицы. Примеры таких этапов описаны ниже и включают способы контактной адгезии, электростатические способы и способы термической обработки или обработки под давлением, а также литирование, которое служит двум целям.
В некоторых случаях дефект типа короткого замыкания формируется под выступающей областью частицы 320. Такой дефект может возникнуть в результате свертывания последовательно осаждаемых слоев, одного за другим. Например, первый электрохромный слой 106 может простираться только на ограниченное расстояние под выступающей частью частицы, в то время как ион-проводящий слой 108 простирается немного дальше под выступающей частью, противоэлектрод 110 простирается еще немного дальше, и наконец, второй прозрачный электропроводящий слой простирается еще дальше, так, что его край контактирует с нижележащим первым прозрачным проводящим слоем. Этот контакт между электропроводящим слоем и электропроводящим слоем приводит к дефекту типа короткого замыкания. Короткое замыкание присутствует независимо от того, была ли сколота частица 320 или была удалена иным образом. Такие короткие замыкания, как правило, минимизируют с помощью очерчивания лазером с целью изолировать дефект и создать небольшой и более приемлемый, точечный прокол.
Ссылаясь на Фиг. 3D и возвращаясь к Фиг. 3В, после скалывания и сразу после того как осаждается проводящий слой 112 в месте контакта электропроводящего слоя 112 с электропроводящим слоем 104 возникает электрическое короткое замыкание. Это электрическое короткое замыкание приводит к появлению в электрохромном устройстве 300 прозрачной области, внешне похожей на видимый дефект, созданный коротким замыканием и описанный выше применительно к Фиг. 2, в то время, как устройство находится в окрашенном состоянии.
К точечным дефектам также могут привести дефекты скалывания, вызванные частицами или осколками, находящимися на подложке, ион-проводящем слое, а также на противоэлектродном слое. Также, если нежелательная частица имеет достаточно большой размер и не является причиной скалывания, она может быть видимой в то время, как электрохромное устройство находится в неокрашенном состоянии.
В приведенном выше описании, как описано применительно к Фиг. 1А, 1В, 2 и 3А-D, предполагают, что существует отдельный ион-проводящий (имеющий электрическое сопротивление) слой, расположенный в электрохромном устройстве между электрохромным слоем и противоэлектродным слоем. Описание предназначено исключительно для пояснения того, каким образом частица может вызвать, связанное с дефектом короткое замыкание. То есть существуют электрохромные устройства, в которых нет отдельного, имеющего электрическое сопротивление, и ион-проводящего слоя, но скорее присутствует межфазная область, служащая в качестве ион-проводящего слоя на стыке электрохромного слоя и противоэлектродного слоев. Электрохромные устройства, имеющие такую структуру, описаны в заявках на патент США №12/772055, поданной 30 апреля 2010 г., №12/772075, поданной 30 апреля 2010 г., №12/814277, поданной 11 июня 2010 г., №12/814279, поданной 11 июня 2010 г., и №13/166537, поданной 22 июня 2011 г., каждая из которых озаглавлена "Electrochromic Devices", изобретателями каждой из которых являются Wang et al., и каждая из которых полностью включена в данную заявку посредством ссылки. Таким образом, как описано выше, частицы в данных устройствах могут служить причиной дефектов, вызванных коротким замыканием, например, в месте, где находится частица и/или пересекается стык между электрохромным и противоэлектродным слоями и/или создает дефекты типа скалывание. Несмотря на отсутствие отдельного IС слоя, как в обычных устройствах, данные устройства также подвержены другим видам дефектов, которые описаны в данной заявке.
Таким образом, применительно к электрохромным окнам имеют первостепенное значение три типа дефектов: (1) видимые точечные проколы, (2) видимые короткие замыкания и (3) невидимые короткие замыкания. Видимый точечный прокол будет иметь размеры дефекта как минимум около 100 мкм и будет проявляться в виде очень маленькой точки света в случае, если окно находится в окрашенном состоянии, иногда едва различимой невооруженным глазом, но видимой при тщательной проверке. Обычно, хотя необязательно, видимое короткое замыкание будет иметь размер дефекта по меньшей мере около 3 мкм, в результате чего область, называемая "гало", например, будет иметь размер около 1 см в диаметре, при этом электрохромный эффект будет заметно снижен. Данные области гало могут быть значительно уменьшены путем изоляции дефекта, вызывающего видимое короткое замыкание, так что невооруженным глазом можно будет увидеть только видимый точечный прокол. Невидимые короткие замыкания могут повлиять на переключательную способность электрохромного устройства, внося свой вклад в общий ток утечки устройства, не создавая при этом заметных точек света, или гало в случае, если окно находится в окрашенном состоянии.
Видимые короткие замыкания вызывают гало в то время, когда устройство затемняется. Гало является областью в устройстве, где электрическое короткое замыкание через электрохромную структуру приводит к появлению тока утечки в области вокруг короткого замыкания, и таким образом область вокруг короткого замыкания не затемняется. Как уже упоминалось, эти области могут достигать размера до около 1 см в диаметре, и таким образом представляют собой проблему, делая электрохромное окно в окрашенном состоянии непривлекательным для наблюдателя. Это приводит к невозможности работы окна в окрашенном состоянии.
Обычно видимые дефекты, вызванные коротким замыканием, минимизируют после изготовления электрохромного устройства в производственном цехе, например, перед установкой в стеклопакет. Например, отдельные электрохромные панели остекления отличаются использованием временных шин при первом использовании, после чего электрохромное устройство переводят в окрашенное состояние. Видимые дефекты, такие как гало, выявляют и затем устраняют путем их изоляции и устранения эффекта гало, например, с помощью лазерного очерчивания, при котором остаются более мелкие, менее заметные, дефекты в виде точечных проколов. Как описано выше, для идентификации и минимизации видимых дефектов обычно используют по меньшей мере два, больших, специализированных устройства. Однако дефекты в электрохромных устройствах могут образоваться после того, как устройства покинут производственный цех, например, из-за внутренних напряжений в электрохромных устройствах (например, см. выше) и/или напряжений, приложенных к окнам при обычном использовании, например, при установке, перепаде давления между внутренним и наружным пространством, ударе, в результате которого оконная панель остекления не разбивается, и тому подобного. Обычно для электрохромных стекол, установленных в автомобиле или здании, минимизация таких дефектов не выполняется, а устройство заменяют в полевых условиях. Это может быть связано с высокими материальными затратами.
Как уже упоминалось, описанные в данной заявке способы и устройства минимизируют влияние дефектов. В одном из вариантов реализации изобретения количество видимых дефектов в виде точечных проколов не превышает около 0,04 на квадратный сантиметр. В другом варианте реализации изобретения количество видимых дефектов в виде точечных проколов не превышает около 0,02 на квадратный сантиметр, а в более конкретных вариантах реализации изобретения число таких дефектов не превышает около 0,01 на квадратный сантиметр. В одном варианте реализации изобретения количество дефектов, вызванных коротким замыканием, видимых, когда устройство находится в окрашенном состоянии, не превышает около 0,005 на квадратный сантиметр. В другом варианте реализации изобретения число дефектов, вызванные коротким замыканием, видимых, когда устройство находится в окрашенном состоянии, не превышает около 0,003 на квадратный сантиметр, а в более конкретных вариантах реализации изобретения число таких дефектов не превышает около 0,001 на квадратный сантиметр. В еще одной реализации изобретения число дефектов, вызванных коротким замыканием, видимых, когда устройство находится в окрашенном состоянии, не превышает около 0,0005 на квадратный сантиметр. В одном из вариантов реализации изобретения общее количество видимых дефектов, точечных проколов, сформированных при изолировании видимых дефектов, вызванных коротким замыканием, не превышает около 0,1 дефекта на квадратный сантиметр, в другом варианте реализации изобретения - не превышает около 0,08 дефекта на квадратный сантиметр, еще в одном варианте реализации изобретения - не превышает около 0,05 дефекта на квадратный сантиметр, еще в одном варианте реализации изобретения - не превышает около 0,01 дефекта на квадратный сантиметр, и еще в одном варианте реализации изобретения не превышает около 0,045 дефекта на квадратный сантиметр (менее чем около 450 дефектов на квадратный метр окна). В некоторых случаях общее количество видимых дефектов, точечных проколов и точечных проколов, вызванных коротким замыканием, сформированных из изолированных видимых дефектов, вызванных коротким замыканием, не превышает около 0,005 дефекта на квадратный сантиметр.
2
В некоторых вариантах реализации изобретения ряд невидимых дефектов, вызванных электрическим коротким замыканием, приводит к току утечки менее чем 20 мкА/см при отклонении ±2 В. Данные значения применимы ко всей поверхности электрохромного устройства (т.е. нет ни одной области устройства (в любом месте), в которой бы плотность дефектов превышала приведенные значения).
В некоторых вариантах реализации изобретения электрохромное устройство не имеет видимых дефектов, превышающих около 1,6 мм в диаметре (наибольший поперечный размер дефекта). В другом варианте реализации изобретения устройство не имеет видимых дефектов, превышающих около 0,5 мм в диаметре, в другом варианте реализации изобретения устройство не имеет видимых дефектов, превышающих около 100 мкм в диаметре.
СТРУКТУРЫ С ИЗОЛИРУЮЩИМИ СЛОЯМИ ДЛЯ МИНИМИЗАЦИИ ВЛИЯНИЯ ДЕФЕКТОВ
Различные описанные варианты реализации изобретения относятся к добавлению в структуру электрохромного устройства дополнительного слоя. Этот дополнительный слой выполняет главную функцию в формировании электронно-изолирующего слоя между двумя электропроводящими слоями, между которыми в противном случае возникло бы короткое замыкание, если бы из электрохромной структуры во время изготовления попала бы частица или осталась на поверхности на протяжении всего процесса изготовления, тем самым вызывая короткое замыкание из-за завала краев. Например, если частица вносится в процессе изготовления первого прозрачного проводящего слоя или первого из электрохромного и противоэлектродного слоев, частица может быть удалена до осаждения второго прозрачного электропроводящего слоя, из-за которого будет возникать короткое замыкание. Обратите внимание на строки 2 и 3 приведенной выше таблицы.
В одном из вариантов реализации резистивный слой, иногда называемый изолирующий слой для минимизации влияния дефектов, осаждается в точке во время процесса изготовления устройства, следующего за формированием первого прозрачного электропроводящего слоя и до формирования второго прозрачного электропроводящего слоя. Из приведенного выше описания будет очевидно, что непосредственный контакт между двумя прозрачными электропроводящими слоями противоположной полярности приводит к возникновению короткого замыкания. Аналогичным образом, непосредственный контакт между одним из прозрачных электропроводящих слоев и электрохромным или противоэлектродным слоем, имеющим полярность, противоположную электропроводящему слою, приводит к возникновению короткого замыкания. Для предотвращения короткого замыкания таких типов после выталкивания частицы формируют изолирующий слой для минимизации влияния дефектов, который представляет собой нижний прозрачный электропроводящий слой или электрохромный или противоэлектродный слой с полярностью, противоположной полярности верхнего прозрачного электропроводящего слоя. Изолирующий слой, как правило, формируют до формирования второго прозрачного электропроводящего слоя. В некоторых вариантах реализации изобретения изолирующий слой осаждают во время операции, являющейся следующей после выполнения операции, при которой возможно выталкивание частицы. Например, изолирующий слой осаждают сразу после осаждения первого электрохромного и противоэлектродного слоев. Например, если электрохромный слой осаждают до осаждения противоэлектродного слоя, изолирующий слой осаждают сразу после осаждения электрохромного слоя. В таких случаях изолирующий слой выполняют из материала, который не является обычным ион-проводящим слоем. В качестве другого примера изолирующий слой осаждают сразу после литирования первого осажденного слоя электрохромного и противоэлектродного слоев. В качестве другого примера изолирующий слой осаждают непосредственно после осаждения ион-проводящего слоя. В другом примере изолирующий слой осаждают непосредственно после осажденного второго слоя, следующего за электрохромным и противоэлектродным слоями. Еще в одном примере изолирующий слой осаждают сразу после литирования второго осажденного слоя, следующего за электрохромным и противоэлектродным слоями.
На Фиг. 4А проиллюстрирован один пример электрохромного устройства 401, содержащего изолирующий слой для минимизации влияния дефектов 411, находящийся в непосредственном контакте со вторым прозрачным электропроводящим слоем 112 и между электропроводящим слоем 112 и противоэлектродным слоем 110, IС слоем 108, электрохромным слоем 106, а также первым прозрачным электропроводящим слоем 104. Таким образом, с помощью изолирующего слоя 411 предотвращают короткое замыкание между прозрачным электропроводящим слоем и первым прозрачным электропроводящим слоем, а также короткое замыкание с электрохромным слоем 106. Как проиллюстрировано на Фиг. 4А, на подложке 102 формируется структура слоев. Устройство содержит первый и второй прозрачные электропроводящие слои 104 и 112, между которыми могло бы возникнуть короткое замыкание, как в примере на Фиг. 3С, при условии, что между ними отсутствует изолирующий слой для минимизации влияния дефектов 411. Состав и другие характеристики слоя 411 приводятся ниже.
Следует отметить, что различные компоненты устройства 401 фактически идентичны компонентам устройства 300 на Фиг. 3D. Компоненты на Фиг. 4А, В и/или С, имеющие такие же цифровые обозначения, как компоненты на Фиг. 3D, могут фактически рассматриваться так же, как компоненты, являющиеся их аналогами на Фиг. 3D. Следует понимать, что не обязательно использовать структуру, проиллюстрированную на Фиг. 4А, в вариантах реализации изобретения, содержащих изолирующий слой, такой как 411. Например, как проиллюстрировано, ряд вариантов реализации изобретения не содержат отдельный ион-проводящий слой 108. Альтернативные варианты использованию отдельного ион-проводящего слоя описаны в заявках на патент США №12/772055, №12/814279 и №13/462725, ранее включенных в данную заявку посредством ссылки.
В некоторых вариантах реализации изобретения противоэлектродный слой 110 литируют непосредственно перед формированием изолирующего слоя 411. Один из примеров технологического процесса формирования структуры, проиллюстрированной на Фиг. 4А, представлен на Фиг. 5В.
3
3
2
5
2
2
3
2
3
2
3
2
5
2
3
2
3
Электрохромный слой 106 может содержать любой или большинство из множества различных электрохромных материалов, включая оксиды металлов. Примеры таких оксидов металлов включают оксид вольфрама (WO), оксид молибдена (MoO), оксид ниобия (NbO), оксид титана (TiO), оксид меди (CuO), оксид иридия (IrO), оксид хрома (CrO), оксид марганца (MnO), оксид ванадия (VO), оксид никеля (NiO), оксид кобальта (CoО) и т.п. В некоторых вариантах реализации изобретения оксид металла легируют с помощью одной или более легирующих примесей, например, лития, натрия, калия, молибдена, ванадия, титана и/или других подходящих металлов или содержащих металлы соединений. Смешанные оксиды (например, оксид W-Mo, оксид W-V) также используются в определенных вариантах реализации изобретения.
x
3
x
В некоторых вариантах реализации изобретения для электрохромного слоя 106 используется оксид вольфрама или легированный оксид вольфрама. В одном из вариантов реализации изобретения электрохромный слой практически выполнен из WO, где "x" означает атомное соотношение кислорода и вольфрама в электрохромном слое, причем х лежит в пределах около 2,7-3,5. Предполагается, что только субстехиометрический оксид вольфрама проявляет электрохромизм; т.е. стехиометрический оксид вольфрама, WO, не проявляет электрохромизма. В более конкретном варианте реализации изобретения для электрохромного слоя используют WO, где x меньше чем 3,0 и по меньшей мере равен около 2,7. В другом варианте реализации изобретения для электрохромного слоя используется WOx, где x находится в диапазоне около 2,7-2,9.
В некоторых вариантах реализации изобретения оксид вольфрама является кристаллическим, нанокристаллическим или аморфным. Как было определено с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ТЕМ), в некоторых вариантах реализации изобретения оксид вольфрама является практически нанокристаллическим, с размером зерен в среднем от около 5 нм до 50 нм (или от около 5 нм до 20 нм).
Толщина первого электрохромного слоя 106 зависит от электрохромного материала, выбранного для электрохромного слоя. В некоторых вариантах реализации изобретения электрохромный слой 106 имеет толщину от около 50 нм до 2000 нм, или от около 200 нм до 700 нм. В некоторых вариантах реализации изобретения электрохромный слой имеет толщину от около 300 нм до около 500 нм. Толщина электрохромного слоя 106 также является практически равномерной. В одном из вариантов реализации изобретения толщина практически равномерного электрохромного слоя варьируется в пределах около ±10% для каждого из вышеуказанных диапазонов толщины. В другом варианте реализации изобретения толщина практически равномерного электрохромного слоя варьируется в пределах около ±5% для каждого из вышеуказанных диапазонов толщины. В другом варианте реализации изобретения толщина практически равномерного электрохромного слоя варьируется в пределах около ±3% для каждого из вышеуказанных диапазонов толщины.
Хотя это не проиллюстрировано на Фиг. 4А, электрохромный и/или противоэлектродные слои могут осаждать как два подслоя. В одном из вариантов реализации изобретения электрохромный слой разделяется на два подслоя, один слой с номинальной концентрацией кислорода, а другой слой - с повышенной концентрацией кислорода. Например, подслой, расположенный ближе к прозрачному электропроводящему слою 104, содержит оксид вольфрама, содержащий номинальную концентрацию кислорода, и подслой, расположенный ближе к противоэлектроду, содержит форму оксида вольфрама, в большей степени насыщенную кислородом. Структуры данного электрохромного слоя описаны в заявке на патент США №12/814279, ранее включенной в данную заявку посредством ссылки.
Возвратимся к электрохромной структуре на Фиг. 4А, где ион-проводящий слой 108 покрывает первый электрохромный слой 106. Поверх ион-проводящего слоя 108 находится противоэлектродный слой 110. Противоэлектродный слой 110 может быть выполнен в виде второго электрохромного слоя. В некоторых вариантах реализации изобретения противоэлектродный слой 110 является неорганическим и/или твердотельным. Противоэлектродный слой может содержать один или более из множества различных материалов, которые могут служить в качестве хранилищ ионов в случае, если электрохромное устройство находится в неокрашенном состоянии. Таким образом, противоэлектродный слой служит не только в качестве слоя хранения ионов, но и как дополнительный окрашиваемый слой.
3
2
3
2
2
2
2
2
2
5
3
3
В некоторых вариантах реализации изобретения подходящие материалы для противоэлектрода, дополнительные к WO, содержат оксид никеля (NiO), оксид вольфрама-никеля (NiWO), оксид никель-ванадия, оксид никель-хрома, оксид никель-алюминия, оксид никель-марганца, оксид никель-магния, оксид никель-тантала, оксид хрома (CrO), оксид марганца (MnO), берлинскую лазурь. Оптически пассивные противоэлектродные материалы содержат оксид церий-титана (СеO-TiO), оксид церий-циркония (CeO-ZrO), оксид никеля (NiO), оксид никель-вольфрама (NiWO), оксид ванадия (VO), и соединение оксидов (например, смесь NiO и WO). Легированные составы этих оксидов могут также использоваться с легирующими добавками, содержащими, например, тантал и вольфрам. Поскольку противоэлектродный слой 110 содержит ионы, используемые для появления электрохромного эффекта в электрохромном материале, когда электрохромный материал находится в неокрашенном состоянии, в случае, если он содержит значительные количества этих ионов, предпочтительно, чтобы противоэлектрод имел высокую прозрачность и нейтральный цвет.
В некоторых вариантах реализации изобретения в противоэлектродном слое (втором электрохромном слое) используют оксид никель-вольфрама (NiWO). В некоторых вариантах реализации изобретения количество никеля, содержащегося в оксиде никель-вольфрама, может составлять до около 90% от массы оксида никель-вольфрама. В конкретном варианте реализации изобретения массовое соотношение никеля к вольфраму в оксиде никель-вольфрама составляет в диапазоне около 4:6-6:4 (например, около 1:1). В одном из вариантов реализации изобретения NiWO содержит в диапазоне около 15% (атомарного) Ni и около 60% Ni; в диапазоне около 10% W и около 40% W; и в диапазоне около 30% O и около 75% O. В другом варианте реализации изобретения NiWO содержит в диапазоне около 30% (атомарного) Ni и около 45% Ni; в диапазоне около 10% W и около 25% W; и в диапазоне около 35% O и около 50% O. В одном из вариантов реализации изобретения NiWO содержит около 42% (атомарного) Ni, около 14% W и около 44% O.
Структура противоэлектрода может быть кристаллической, нанокристаллической, или аморфной. В некоторых вариантах реализации изобретения, в которых противоэлектродный слой является оксидом никель-вольфрама, материал противоэлектрода является аморфным или практически аморфным. Было замечено, что при определенных условиях практически аморфные оксид никель-вольфрамовые противоэлектроды имеют более лучшие характеристики, по сравнению с их кристаллическими аналогами. Аморфное состояние оксид никель-вольфрама может быть достигнуто путем использования определенных режимов изготовления, которые описаны ниже.
В некоторых вариантах реализации изобретения толщина противоэлектродного слоя составляет от около 50 нм до около 650 нм. В некоторых вариантах реализации изобретения толщина противоэлектрода составляет от около 100 нм до около 400 нм, предпочтительно в диапазоне от около 200 нм до 300 нм. Толщина противоэлектродного слоя 110 также является практически равномерной. В одном из вариантов реализации изобретения толщина практически равномерного противоэлектродного слоя варьируется только в пределах около ±10% в каждом из вышеуказанных диапазонов толщины. В другом варианте реализации изобретения толщина практически равномерного противоэлектродного слоя варьируется в пределах около ±5% в каждом из вышеуказанных диапазонов толщины. В другом варианте реализации изобретения толщина практически равномерного противоэлектродного слоя варьируется в пределах около ±3% в каждом из вышеуказанных диапазонов толщины.
-6
-1
-1
-9
-1
-1
10
14
Между электрохромным слоем 106 и противоэлектродным слоем 110 находится ион-проводящий слой 108. Ион-проводящий слой 108 служит средой наподобие электролита, через которую переходят ионы. То есть, когда электрохромное устройство переходит из неокрашенного состояния в окрашенное состояние, ионы переходят через ион-проводящий слой. Как правило, ион-проводящий слой 108 имеет высокую проводимость для соответствующих ионов электрохромного и противоэлектродного слоев, и при этом имеет достаточно низкую электронную проводимость так, что при нормальной работе происходит ничтожно малый перенос электронов. Тонкому ион-проводящему слою с высокой ионной проводимостью присуща проводимость легких ионов и, следовательно, быстрое переключение для быстродействующих электрохромных устройств. В некоторых вариантах реализации ион-проводящий слой 108 является неорганическим и/или твердотельным. При изготовлении из материала, а также с помощью способа, при котором появляется сравнительно мало дефектов, ион-проводящий слой может быть очень тонким и использоваться для производства быстродействующего устройства. В различных вариантах реализации изобретения ион-проводящий материал имеет удельную ионную проводимость в диапазоне около 10 См/см или Oмсм и около 10 См/см или Омсм и удельное электрическое сопротивление 5×10-10 Ом⋅см.
Примеры подходящих ион-проводящих слоев включают силикаты, оксиды кремния, оксиды вольфрама, оксиды тантала, оксиды ниобия и бораты. Оксиды кремния включают оксид кремния-алюминия. Оксиды вольфрама включают вольфраматы. Данные материалы могут быть легированы различными легирующими добавками, в том числе литием. Литий, легированный оксидами кремния, включает литий оксид кремния-алюминия. В некоторых вариантах реализации изобретения ион-проводящий слой содержит силикатные структуры. В других вариантах реализации изобретения подходящие ионные проводники, особенно приспособленные для переноса ионов лития, включают, но не ограничиваются этим, силикат лития, силикат литий-алюминия, борат литий-алюминия, фторид литий-алюминия, борат лития, нитрид лития, силикат литий-циркония, ниобат лития, вольфрамат лития, боросиликат лития, фосфосиликат лития и другие подобные керамические материалы на литиевой основе, кремнеземы или оксиды кремния, включая литий оксид кремния. При этом для ион-проводящего слоя 108 может использоваться любой материал, при условии, что он может быть изготовлен с низким уровнем дефектов, допуская прохождение ионов между противоэлектродным слоем 110 и электрохромным слоем 106, практически предотвращая при этом переход электронов.
Как уже упоминалось, некоторые варианты реализации изобретения не содержат отдельный или осажденный ион-проводящий слой 108, как было проиллюстрировано. В некоторых случаях переходная область или межфазная область формируется между электрохромным и противоэлектродным слоями, осажденными в непосредственном контакте друг с другом. Такие области могут формироваться локально - без осаждения отдельного слоя из ион-проводящего материала и имеют отдельные характеристики обычного ион-проводящего слоя, как описано выше.
В некоторых вариантах реализации один или оба электропроводящих слоя 104 и 112 являются неорганическими и/или твердотельными. Электропроводящие слои 104 и 112 могут быть выполнены из ряда различных материалов, в том числе проводящих оксидов, тонких металлических покрытий, электропроводящих нитридов металла и композитных проводников. Как правило, электропроводящие слои 104 и 112 являются прозрачными, по меньшей мере в диапазоне длин волн, в котором в электрохромном слое проявляется электрохромизм. Прозрачные электропроводящие оксиды включают оксиды металлов, а также оксиды металлов с примесями одного или более металлов. Примеры таких оксидов металлов и легированных оксидов металлов включают оксид индия, оксид индия-олова, легированный оксид индия, оксида олова, легированный оксида олова, оксид цинка, оксид цинка-алюминия, легированный оксид цинка, оксид рутения, легированный оксид рутения и т.п. Поскольку для данных слоев часто используют оксиды, их иногда называют слоями "прозрачных электропроводящих оксидов" (ТСО). Также могут использоваться тонкие металлические покрытия, которые являются практически прозрачными. К примерам металлов, используемых для данных тонких металлических покрытий, относятся переходные металлы, включая золото, платину, серебро, алюминий, сплав никеля и т.п. Также используются хорошо известные в стекольной промышленности тонкие металлические покрытия на основе серебра. Примеры нитридов, которые являются электропроводящими, в некоторых конфигурациях включают нитриды титана, нитриды тантала, оксинитриды титана и оксинитриды тантала. Электропроводящие слои 104 и 112 также могут быть композитными проводниками. Такие композитные проводники могут быть изготовлены путем размещения высокопроводящих керамических и металлических проводников или электропроводящего слоя структуры на одной из плоскостей подложки, а затем наносят покрытие из прозрачных электропроводящих материалов, например, легированных оксидов олова или оксид индия-олова. В идеале такие проводники должны быть достаточно тонкими, чтобы не быть заметными невооруженным глазом (например, около 100 мкм или тоньше).
Функцией проводящих слоев является распределение электрического потенциала, подаваемого от источника напряжения 116 по поверхности электрохромной структуры, к внутренним областям структуры с очень малым омическим падением потенциала. Электрический потенциал передается в проводящие слои посредством электрического соединения с электропроводящими слоями. В некоторых вариантах реализации изобретения шины имеют один контакт, соединенный с электропроводящим слоем 104 и один контакт, соединенный с электропроводящим слоем 112, при этом обеспечивая электрическое соединение между источником напряжения 116 и электропроводящими слоями 104 и 112. Электропроводящие слои 104 и 112 также могут быть соединены с источником напряжения 116 с помощью других обычных средств.
В некоторых вариантах реализации изобретения толщина электропроводящих слоев 104 и 112 находится в диапазоне около 5-10000 нм. В некоторых вариантах реализации изобретения толщина электропроводящих слоев 104 и 112 находится в диапазоне около 10-1000 нм. В других вариантах реализации изобретения толщина электропроводящих слоев 104 и 112 находится в диапазоне около 10-500 нм. В некоторых вариантах реализации изобретения, в которых для подложки 102 и электропроводящего слоя 104 используется TEC Glass™, проводящий слой имеет толщину около 400 нм. В некоторых вариантах реализации изобретения, в которых для электропроводящего слоя 112 используется оксид индия-олова, толщина электропроводящего слоя составляет около 100-400 нм (в одном из вариантов реализации изобретения 280 нм). В целом, могут использоваться более толстые слои электропроводящего материала при условии, что они обеспечивают необходимые электрические свойства (например, проводимость) и оптические свойства (например, прозрачность). Для увеличения прозрачности и уменьшения стоимости, как правило, электропроводящие слои 104 и 112 выполняются как можно тоньше. В одном из вариантов реализации изобретения электропроводящие слои являются практически кристаллическими. В одном из вариантов реализации изобретения электропроводящие слои являются кристаллическими с высокой долей крупных равноосных зерен.
Толщина каждого электропроводящего слоя 104 и 112 также является практически равномерной. Шероховатость (т.е. малая шероховатость, Ra) электропроводящего слоя 104 желательна, чтобы другие слои электрохромной структуры в большей степени соответствовали требованиям. В одном из вариантов реализации изобретения толщина практически равномерного электропроводящего слоя изменяется не более чем на около ±10% в каждом из вышеуказанных диапазонов толщины. В другом варианте реализации изобретения толщина практически равномерного электропроводящего слоя изменяется не более чем на около ±5% в каждом из вышеуказанных диапазонов толщины. В другом варианте реализации изобретения толщина практически равномерного электропроводящего слоя изменяется не более чем на около ±2% в каждом из вышеуказанных диапазонов толщины.
Поскольку слои имеют относительно большую площадь, важной характеристикой электропроводящего слоя также может являться поверхностное сопротивление слоя (Rs). В некоторых вариантах реализации изобретения поверхностное сопротивление электропроводящих слоев 104 и 112 составляет около от 5 до 30 Ом/квадрат. В некоторых вариантах реализации изобретения поверхностное сопротивление электропроводящих слоев 104 и 112 составляет около 12 Ом/квадрат. В большинстве случаев желательно, чтобы поверхностное сопротивление каждого из двух электропроводящих слоев было примерно одинаковым. В одном из вариантов реализации изобретения каждый из двух слоев имеет поверхностное сопротивление около 10-15 Ом/квадрат.
В некоторых вариантах реализации изобретения формируемые впоследствии противоэлектродный слой и электрохромный слой формируют в две операции, между которыми выполняют операцию литирования. После осаждения и дальнейшего литирования первой части осаждают изолирующий слой 411. Затем осаждают вторую часть противоэлектродного (или электрохромного слоя). На Фиг. 4В проиллюстрирован такой вариант реализации изобретения, в котором для защиты от коротких замыканий, возникших в результате выталкивания частиц, используют изолирующий слой. В данном примере электрохромное устройство 403 содержит структуру, содержащую первый прозрачный электропроводящий слой 104, электрохромный слой 106, дополнительный ион-проводящий слой 108, противоэлектродный слой 110 и второй прозрачный электропроводящий слой 112, как описано выше. Кроме того, структура устройства содержит изолирующий слой для минимизации влияния дефектов 411, размещенный в пределах противоэлектродного слоя. В результате противоэлектродный слой делится на внутреннюю часть 110 и наружную часть 110', отделенные друг от друга слоем 411. В альтернативном варианте реализации изобретения положения электрохромного слоя и противоэлектродного слоя меняются местами так, что электрохромный слой разделяется изолирующим слоем 411 и содержит наружную часть 106', находящуюся в непосредственном контакте со вторым проводящим слоем 112. Как правило, хотя и необязательно, две части противоэлектродного слоя (или противоэлектродный слой) композиционно и/или морфологически аналогичны.
На Фиг. 4С проиллюстрирован вариант реализации изобретения, в котором часть 413 противоэлектродного слоя служит в качестве изолирующего слоя. По составу часть 413 аналогична основной части противоэлектрода 111, но может обладать изолирующими свойствами в большей мере, настолько, что может предотвратить короткое замыкание между прозрачными проводящими слоями 104 и 112 в случае, когда она является лишь слоем между ними, как проиллюстрировано на Фиг. 4С. Как правило, она имеет по меньшей мере такие же изолирующие свойства, как часть 111. В некоторых вариантах реализации изобретения часть 413 не имеет электрохромных свойств, в то время как Часть 111 имеет электрохромные свойства.
Например, обе части 111 и 413 выполнены из материалов оксид вольфрама-никеля, но часть 413 имеет относительно низкое соотношение никеля к вольфраму и/или части осаждаются при различных условиях. В различных вариантах реализации изобретения осаждают основную часть 111 противоэлектродного слоя, а затем выполняют литирование. После этого осаждают вторую часть 413 противоэлектродного слоя. В некоторых вариантах реализации изобретения первая часть 111 имеет толщину в пределах около от 200 до 500 нм или в пределах от 250 до 350 нм (например, около 280 нм). В некоторых вариантах реализации изобретения вторая часть 413 имеет толщину около 5-30 нм или около 5-20 нм (например, около 10 нм).
Существует множество возможных вариантов реализации двух частей электрохромного слоя, в которой одна часть служит в качестве изолирующего слоя для минимизации влияния дефектов. Во многих вариантах реализации изобретения в электрохромном материале, который служит в качестве изолирующего слоя, является диэлектриком с внедренным зарядом (например, литий-ионное или водородно-ионное внедрение). Во многих вариантах реализации изобретения изолирующий слой для минимизации влияния дефектов является ион-проводящим и принимает и вытесняет ионы при циклическом изменении оптического состояния электрохромного устройства. Оксид вольфрама является примером электрохромного материала, который при определенных состояниях заряда становится ион-проводящим. В частности, оксид вольфрама становится все более ион-проводящим по мере повышения концентрации ионов лития, при этом в случае внедрения значительных концентраций ионов лития проводимость увеличивается на несколько порядков. По этой причине оксид вольфрама не может служить в качестве эффективного материала для изолирующего слоя для минимизации влияния дефектов. Напротив, оксид вольфрама-никеля остается ион-изолирующим в случае, когда внедряются и вытесняются ионы лития. Поэтому, оксид вольфрама-никеля может служить в качестве материала электрохромного слоя, так и в качестве материала изолирующего слоя для минимизации влияния дефектов, как обсуждалось выше в контексте Фиг. 4С.
В некоторых вариантах реализации изобретения в последовательности осаждения электрохромный слой и противоэлектродный слой могут меняться местами. Например, в некоторых вариантах реализации изобретения противоэлектродный слой осаждают первым, а затем по частям осаждают электрохромный слой, причем первая часть является более электропроводящей, чем вторая часть. Этап литирования может выполняться между осаждением двух частей электрохромного слоя. Как описано в представленных выше вариантах реализации изобретения, ион-проводящий слой может осаждаться в пределах нескольких конструктивных структур.
x
В некоторых вариантах реализации изобретения первый электрохромный слой 106 содержит оксид вольфрама в двух подслоях, каждый из которых практически состоит из WO. Подслой, контактирующий с прозрачным электропроводящим слоем 104, имеет значение x, которое составляет около 2,7-2,8, а другой подслой имеет значение x, которое составляет около 2,85-3,5. Противоэлектродный слой 110 содержит электрохромный оксид вольфрама-никеля толщиной около 50-300 нм. Изолирующий слой 413 также содержит оксид вольфрама-никеля, но имеет другие свойства, как обсуждалось в данной заявке. В варианте реализации изобретения, описанном в данной заявке, данный слой имеет толщину около 5-100 нм. Второй прозрачный электропроводящий оксид может быть оксидом индия-олова толщиной около 200-450 нм. Устройство не содержит ион-проводящего слоя между электрохромным слоем 106 и противоэлектродным слоем 111, который осаждают отдельно.
В некоторых вариантах реализации изобретения в электрохромном устройстве используют два отдельных изолирующих слоя для минимизации влияния дефектов. В одном из примеров оба изолирующих слоя осаждают между прозрачными электропроводящими слоями. Смотрите описание первого и второго электропроводящих слоев 104 и 112 на Фиг. 4D. В одном из вариантов реализации изобретения первый изолирующий слой осаждают в непосредственном контакте с первым прозрачным электропроводящим слоем 104. В одном из вариантов реализации изобретения второй изолирующий слой осаждают в непосредственном контакте со вторым электропроводящим слоем 112. В варианте реализации изобретения на Фиг. 4D первый изолирующий слой 426 осаждают в непосредственном контакте с первым прозрачным проводящим слоем 104, а второй изолирующий слой 431 осаждают в непосредственном контакте со вторым прозрачный электропроводящим слоем 112. В устройстве, проиллюстрированном на Фиг. 4D, нет IС слоя (например, нет IС слоя 108), осажденного между электрохромным слоем (слоем 106) и противоэлектродным слоем (слоем 110). В описанном варианте реализации изобретения структура выполнена на подложке 102. Данная структура содержит первый электропроводящий слой 104, имеющий прямой или непрямой контакт с подложкой 102, первый изолирующий слой 426, имеющий непосредственный контакт со слоем 104, электрохромный слой 106, имеющий непосредственный контакт со слоем 426, противоэлектродный слой 110, имеющий непосредственный контакт со слоем 106, второй изолирующий слой 431, имеющий непосредственный контакт со слоем 110, а также второй прозрачный электропроводящий слой 112 (например, оксид индия-олова). В некоторых вариантах реализации изобретения первым прозрачным электропроводящим слоем 104 является слой фторированного оксида олова, например, ТЕС.
В некоторых вариантах реализации изобретения первый изолирующий слой 426 представляет собой или содержит оксид олова, оксид кремния, оксид вольфрама-никеля, оксид церия, оксид алюминия, оксид тантала, оксид кремния-алюминия и/или оксид титана. В некоторых вариантах реализации изобретения первый изолирующий слой 426 представляет собой или содержит нитрид металла, например, нитрид титана, нитрид алюминия, нитрид кремния, нитрид тантала, или нитрид вольфрама. В некоторых случаях первый изолирующий слой представляет собой или содержит диоксид титана. Также могут использоваться аналоги карбида, оксинитрида и оксикарбида. В некоторых вариантах реализации изобретения первый изолирующий слой 426 представляет собой или содержит слой оксида олова или оксида титана, слой окиси алюминия (оксида алюминия) или слой, содержащий как оксид олова/титана, так и оксид алюминия. В некоторых вариантах реализации изобретения первый изолирующий слой 426 содержит слой основного электроизолирующего материала, который содержит пустоты или зазоры. Данные пустоты или зазоры заполняются другим изолирующим материалом, например, оксидом алюминия или другими материалами, содержащимися в полировальной пасте. В некоторых вариантах реализации изобретения второй изолирующий слой 431 имеет состав, аналогичный противоэлектродному слою 110, но немного отличающийся большим удельным сопротивлением.
В одном из примеров структура, проиллюстрированная на Фиг. 4D, содержит слой диоксида титана в качестве первого электроизолирующего слоя 426 и слой непроводящего оксида вольфрама-никеля в качестве второго изолирующего слоя 431. В данной заявке в качестве изолирующего слоя для минимизации дефектов описаны подходящие примеры оксида вольфрама-никеля.
В некоторых случаях стекло содержит подложку 102, первый прозрачный проводящий слой 104 и первый изолирующий слой 426. Данные изделия могут содержать ТЕС (фторированный оксид олова) слой 104 и диоксид титана или оксид олова в качестве слоя 426. Примеры таких изделий включают изделия Eclipse Advantage™, производства Pilkington. В некоторых случаях толщина изолирующего слоя для минимизации влияния дефектов составляет около 10-100 нм, или около 15-50 нм, или около 20-40 нм. Может использоваться изделие с высококачественными электропроводящими слоями (и дополнительным слоем для минимизации влияния дефектов), например, изделие TQ производства Pilkington. В данном контексте высококачественные слои по сравнению с другими продуктами имеют относительно мало дефектов, относительно непрерывные слои и/или относительно низкую шероховатость. В одном из вариантов реализации подложка, содержащая прозрачный электропроводящий слой и слой для минимизации влияния дефектов, до осаждения слоя 106 предоставляется "как есть", без полирования. В других вариантах реализации перед изготовлением оставшейся части электрохромного устройства подложку, содержащую слой 426, полируют.
В некоторых вариантах реализации изобретения слой для минимизации влияния дефектов служит для инкапсуляции, а также содействует адгезии частиц, которые могут быть вытолкнуты в любой момент. Как проиллюстрировано на Фиг. 4Е, например, слой для минимизации влияния дефектов 461 конформно инкапсулирует частицу 305. В некоторых вариантах реализации изобретения толщина слоя для минимизации влияния дефектов является значительной долей от размера средней частицы, вызывающей дефект. Например, слой для минимизации влияния дефектов, служащий для инкапсуляции частиц может иметь толщину по меньшей мере около 500 нм. В некоторых вариантах реализации инкапсулирующий слой не должен быть изолирующим, а может быть предпочтительно, чтобы данный слой имел свойства, аналогичные свойствам граничащего с ним слоя. Кроме того, если инкапсулирующий слой находится между или в пределах противоэлектродного слоя и/или электрохромных слоев, то инкапсулирующий слой должен быть выполнен с возможностью литиево-ионного переноса и иметь достаточно низкое электрическое сопротивление, чтобы не препятствовать переносу электронов для компенсации переноса лития. В некоторых вариантах реализации изобретения инкапсулирующий слой представляет собой материал, называемый в данной заявке электрохромный материал или материал противоэлектрода.
Описание Фиг. 4А-Е относится к электрохромным устройствам, содержащим по меньшей мере два отдельных слоя, используемые в структуре устройства. В некоторых вариантах реализации изобретения электрохромное устройство содержит только один слой градиентной композиции, выполняющей функцию структуры электрохромного устройства. На Фиг. 4F проиллюстрирован такой градиентный элемент 421, являющийся частью электрохромного устройства 413. Электрохромный элемент 421 является однослойной градиентной композицией, которая содержит катодно-окрашиваемую электрохромную область 417, ион-проводящую область 418 и анодно-окрашиваемую противоэлектродную или вторую электрохромную область 419. Электрохромный элемент 421 находится между двумя электропроводящими слоями электродов 104 и 112. В данном примере изготовление устройства может включать осаждение прозрачного электропроводящего слоя 104 на подложку 102, осаждение электрохромного элемента 421 на прозрачный электропроводящий слой 104 с последующим осаждением прозрачного электропроводящего слоя 112 на электрохромный элемент 421. Таким образом, электрохромное устройство 413 имеет всего три слоя, электрохромный элемент 421, находящийся между прозрачными проводящими слоями 104 и 112. Описанный вариант реализации изобретения также содержит изолирующую область для минимизации влияния дефектов 451, расположенную во второй электрохромной области 421. Область 451 предназначена для той же цели, что и изолирующие слои 411 и 413 на Фиг. 4А-С. Область 451 может быть аналогична или идентична по своему составу слоям 411 и/или 413. Данная область также может иметь градиентную структуру, подобную другим областям элемента 421.
Градиентный электрохромный элемент может рассматриваться как один слой электрохромной структуры устройства с последовательными функциональными областями в противоположность отдельным слоям, для которых свойственен резкий переход материалов между слоями, ограниченный смесью материалов между соседними слоями. Скорее, электрохромный элемент содержит последовательные функциональные области, в которых между каждой последовательной функциональной областью содержится выраженная смесь материалов. Дополнительная информация о многофункциональном композиционно градиентном электрохромном элементе, включая изготовление деталей, приводится в заявке на патент США №13/462725, ранее включенной в данную заявку посредством ссылки.
Хотя на Фиг. 4А-Е подложка 102 проиллюстрирована в непосредственном контакте с первым прозрачным электропроводящим слоем 104, в данном случае это не так. В любом из вариантов реализации изобретения, описанных в данной заявке, данные слои могут находиться в прямом или непрямом контакте. В некоторых случаях, стеклянные подложки поставляются с покрытиями или слоями, расположенными между стеклянной подложкой 102 и первым проводящим слоем 104. Данные покрытия могут использоваться с целью улучшения термических свойств, проницаемости, блокирования диффузии или других оптических свойств, обеспечивая резистивный нагрев и т.д. В одном из примеров по меньшей мере два слоя расположены между подложкой 102 и слоем 104. Примеры данных материалов включают оксиды кремния и оксиды олова. В некоторых случаях подложка содержит слой оксида олова поверх основной стеклянной подложки, слой оксида кремния поверх слоя оксида олова и слой фторированного оксида олова поверх слоя из оксида кремния.
Как проиллюстрировано на Фиг. 4А-Е, слой(и) для минимизации влияния дефектов может(гут) быть добавлен(ы) в структуру электрохромного устройства в различные местоположения. Примеры ряда структур устройства приводятся ниже. Каждый из них является вариантом следующей базовой структуры, в которой ЕС слоем является дополнительный оксид вольфрама (или его варианты), а СЕ слоем является оксид вольфрама-никеля (или его варианты):
Базовая структура устройства
Первый ТС слой
Электрохромный слой
Ион-проводящий слой (опционально)
Противоэлектродный слой
Второй ТС слой
Структуры, в которых не используется ион-проводящий слой
Вариант A
Первый ТС слой
Изолирующий слой
ЕС слой
СЕ слой
Второй ТС слой
Вариант B
Первый ТС слой
ЕС слой
Изолирующий слой
СЕ слой
Второй ТС слой
Вариант C
Первый ТС слой
ЕС слой
СЕ слой
Изолирующий слой
Второй ТС слой
Вариант D
Первый ТС слой
ЕС слой
Частичный СЕ слой
Изолирующий слой
Остаточный СЕ слой
Второй ТС слой
Вариант E
Первый ТС слой
ЕС слой
Частичный СЕ слой (электрохромный)
Остаточный СЕ слой (не электрохромный)
Второй ТС слой
Вариант F
Первый ТС слой
Первый изолирующий слой
ЕС слой
Второй изолирующий слой СЕ слой
Второй ТС слой
Вариант G
Первый ТС слой
Первый изолирующий слой
ЕС слой
СЕ слой
Второй изолирующий слой
Второй ТС слой
Вариант Н
Первый ТС слой
Первый изолирующий слой
ЕС слой
Частичный СЕ слой
Второй изолирующий слой
Остаточный СЕ слой
Второй ТС слой
Вариант I
Первый ТС слой
Изолирующий слой ЕС слой
Частичный СЕ слой (электрохромный)
Остаточный СЕ слой (не электрохромный)
Второй ТС слой
Структуры, в которых присутствует ион-проводящий слой
Вариант A
Первый ТС слой
Изолирующий слой
ЕС слой
IС слой
СЕ слой
Второй ТС слой
Вариант B
Первый ТС слой
ЕС слой
Изолирующий слой
IС слой
СЕ слой
Второй ТС слой
Вариант C
Первый ТС слой
ЕС слой
IС слой
Изолирующий слой
СЕ слой
Второй ТС слой
Вариант D
Первый ТС слой
ЕС слой
Частичный IC слой
Изолирующий слой
Остаточный IC слой
СЕ слой
Второй ТС слой
Вариант E
Первый ТС слой
ЕС слой
IС слой
Частичный СЕ слой
Изолирующий слой
Остаточный СЕ слой
Второй ТС слой
Вариант F
Первый ТС слой
ЕС слой
IС слой
Частичный СЕ слой (электрохромный)
Остаточный СЕ слой (не электрохромный)
Второй ТС слой
Вариант G
Первый ТС слой
Изолирующий слой
ЕС слой
Изолирующий слой
IС слой
СЕ слой
Второй ТС слой
Вариант Н
Первый ТС слой
Изолирующий слой
ЕС слой
IС слой
Изолирующий слой СЕ слой
Второй ТС слой
Вариант I
Первый ТС слой
Изолирующий слой
ЕС слой
Частичный IC слой
Изолирующий слой
Остаточный IC слой
СЕ слой
Второй ТС слой
Вариант J
Первый ТС слой
Изолирующий слой
ЕС слой
IС слой
Частичный СЕ слой
Изолирующий слой
Остаточный СЕ слой
Второй ТС слой
Вариант K
Первый ТС слой
Изолирующий слой
ЕС слой
IС слой
Частичный СЕ слой (электрохромный)
Остаточный СЕ слой (не электрохромный)
Второй ТС слой
Хотя каждый из вышеперечисленных вариантов представлен как электрохромный слой, осажденный ближе к первому прозрачному электропроводящему слою, а противоэлектродный слой осажден ближе ко второму прозрачному электропроводящему слою, в любом из вариантов порядок слоев может быть изменен.
На Фиг. 4G проиллюстрирован полученный с помощью сканирующего растрового микроскопа снимок электрохромного устройства, содержащего первый прозрачный электропроводящий слой (ТСО) 481, расположенный на подложке в качестве электрохромного слоя 483, расположенный поверх ТСО 481, дополнительный ион-проводящий слой 485, расположенный поверх электрохромного слоя, противоэлектродный слой 487, расположенный поверх ион-проводящего слоя и второй прозрачный электропроводящий слой (ТСО) 489. На Фиг. 4G представлена базовая структура, на которой проиллюстрированы различные положения одного или более изолирующих слоев для минимизации влияния дефектов, как это проиллюстрировано на Фиг. 4Н-4O. На Фиг. 4Н-4K проиллюстрированы устройства, содержащие только один изолирующий слой для минимизации влияния дефектов, а на Фиг. 4L-4O проиллюстрированы устройства, содержащие два изолирующих слоя для минимизации дефектов.
На Фиг. 4Н проиллюстрирован изолирующий слой для минимизации влияния дефектов, расположенный между первым прозрачным электропроводящим слоем 481 и электрохромным слоем 483. На Фиг. 4I проиллюстрирован изолирующий слой для минимизации влияния дефектов в промежуточном положении в пределах электрохромного слоя 483. На Фиг. 4J проиллюстрирован изолирующий слой для минимизации влияния дефектов в промежуточном положении в пределах противоэлектродного слоя 487. На Фиг. 4K проиллюстрирован изолирующий слой для минимизации влияния дефектов, расположенный между вторым прозрачным электропроводящим слоем 489 и противоэлектродным слоем 487.
На Фиг. 4L проиллюстрирован первый изолирующий слой для минимизации влияния дефектов, расположенный между первым прозрачным электропроводящим слоем 481 и электрохромным слоем 483, причем второй изолирующий слой для минимизации влияния дефектов расположен в промежуточном положении в пределах противоэлектродного слоя 487. На Фиг. 4М проиллюстрировано устройство, содержащее первый изолирующий слой для минимизации влияния дефектов, расположенный между первым прозрачным электропроводящим слоем 481 и электрохромным слоем 483, и второй изолирующий слой для минимизации влияния дефектов, расположенный между вторым прозрачным электропроводящим слоем 489 и противоэлектродным слоем 487. На Фиг. 4N проиллюстрировано устройство, содержащее первый изолирующий слой для минимизации влияния дефектов в промежуточном положении в пределах электрохромного слоя 483 и второй изолирующий слой для минимизации влияния дефектов, расположенный в промежуточном положении в пределах противоэлектродного слоя 487. На Фиг. 4O проиллюстрировано устройство, содержащее первый изолирующий слой для минимизации влияния дефектов, расположенный в промежуточном положении в пределах электрохромного слоя 483 и второй изолирующий слой для минимизации влияния дефектов, расположенный между вторым прозрачным электропроводящим слоем 489 и противоэлектродным слоем 487.
ПРИМЕРЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Как уже объяснялось, во время процесса изготовления устройства изолирующий слой осаждают в определенный момент времени между формированием первого и второго прозрачных электропроводящих слоев. В ряде вариантов реализации изобретения изолирующий слой осаждают в качестве следующего слоя после выполнения этапа процесса, при котором существует значительная вероятность возникновения выталкивания частиц. Примером этапа процесса, при котором вероятно выталкивание частиц, является введение металлического лития в структуру устройства. Как описано ниже, выталкивание может возникать аналогичным образом во время осаждения при других этапах процесса.
Процесс изготовления устройства 501 проиллюстрирован на Фиг. 5А и представляет собой базовый процесс, который может быть модифицирован с целью добавления одной или более операций осаждения изолирующего защитного слоя. Процесс 501 начинается с операции 503, во время которой в технологическом оборудовании или устройстве предварительной обработки принимают подложку. Как уже объяснялось, подложка может быть окном, зеркалом или чем-то подобным. В некоторых вариантах реализации изобретения подложка, предоставленная производителем подложки, содержит заранее сформированный прозрачный электропроводящий слой оксида. В других вариантах реализации изобретения подложка поставляется без прозрачного электропроводящего слоя оксида, при этом процесс изготовления устройства включает отдельную операцию формирования на подложке прозрачного электропроводящего слоя.
Технологический процесс 501 продолжает операция 505, которая включает промывку или другой способ подготовки подложки для изготовления устройства. Данная подготовка может включать такие операции как резка стекла согласно размеру, шлифовка кромок или других частей стекла, промывка стекла, закалка стекла, повторная промывка стекла и т.д. В некоторых вариантах реализации изобретения подготовительные операции включают первую резку стеклянной подложки согласно размеру для окончательного процесса и дальнейшую шлифовку кромки стекла с последующей закалкой или другими операциями для усиления механической прочности. В некоторых случаях подложку промывают до и/или после закалки. Резка, шлифовка и подобные операции описаны в заявке на патент США №13/456056, поданной 25 апреля 2012 г., которая полностью включена в данную заявку посредством ссылки. Изготовление собственно электрохромного устройства начинают после завершения предварительной операции 505. В некоторых вариантах реализации изобретения некоторые или все операции по изготовлению устройства выполняют в условиях вакуума или в других контролируемых внешних условиях. Например, в технологической линии может быть предусмотрено прохождение подложки через ряд взаимосвязанных камер или станций, каждая из которых соответствует определенной технологической операции, а также интегрирована с вакуумной системой или другой системой управления давлением. В некоторых вариантах реализации изобретения интегрированная система осаждения содержит подложкодержатель и транспортный механизм, выполненные с возможностью удерживать архитектурное стекло или другую подложку в вертикальном положении в то время, как они находятся в ряде станций для осаждения. В некоторых случаях интегрированная система осаждения содержит один или более загрузочных шлюзов для прохождения подложки между внешней средой и интегрированной системой осаждения. В другом варианте реализации изобретения ряд станций для осаждения содержат одну или более станций для осаждения одного или более из электрохромного слоя, ион-проводящего слоя, изолирующего слоя для минимизации влияния дефектов, а также противоэлектродного слоя. Системы для распыления или физического осаждения из газовой фазы могут использоваться для осаждения одного или более отдельных слоев, составляющих электрохромное устройство. Система для распыления также может использоваться для осаждения лития на устройство.
В соответствии с вариантами реализации изобретения, описанными в данной заявке, для осаждения электрохромных материалов и электрохромных устройств могут использоваться устройства различных типов. Часто в устройстве управления процессом изготовления может использоваться один или более контроллеров. Специалисты в данной области техники по достоинству оценят способы, описанные в данной заявке, а также смогут использовать различные процессы, связанные с хранением или передачей данных посредством одной или более компьютерных систем и/или контроллеров. Отдельные варианты реализации изобретения относятся к устройству, связанному с компьютерами и контроллерами для выполнения данных операций. Устройство управления может быть специально спроектировано для требуемых целей, или может быть компьютером общего назначения, избирательно активируемым или перенастраиваемым с помощью компьютерной программы и/или структуры данных, хранящейся в компьютере. Способы, представленные в данной заявке, по своей сути не относятся к какому-то конкретному компьютеру или другому устройству. В различных вариантах реализации изобретения контроллер выполняет системную управляющую программу, которая содержит набор команд для управления синхронизацией и последовательностью этапов технологического процесса, режимов изготовления, описанных в данной заявке и т.п.
В некоторых вариантах реализации изобретения контроллер содержит или выполняет команды для направления подложки через ряд станций осаждения для осаждения слоев электрохромного стека. Контроллер может быть выполнен с возможностью определения, в частности, скорости и направления передвижения подложки, условий распыления в любой из станций (например, давления, температуры, мощности распыления, и интенсивности газового потока) и предоперационной и послеоперационной обработки подложки. Контроллер может содержать конкретные команды для полирования, а в других случаях - для предварительной обработки подложки перед осаждением. Контроллер может содержать конкретные команды для послеоперационной обработки подложки, например, термическое или химическое кондиционирование. В некоторых вариантах реализации изобретения могут использоваться другие компьютерные программы, скрипты или подпрограммы, хранящиеся в памяти устройств, связанных с контроллером.
Примеры устройств для изготовления электрохромных устройств описаны в следующих заявках на патент США, каждая из которых полностью включена в настоящую заявку посредством ссылки: №12/645111, №12/645159, №13/462725 и №12/814279.
Если подложка, полученная после предварительной обработки 505, не содержит тонкого слоя прозрачного электропроводящего материала, изготовление устройства начинается с формирования указанного слоя. Если предоставленная подложка содержит указанный слой, то нет необходимости в выполнении операции. Независимо от способа формирования прозрачного электропроводящего материала, во время операции 507 на него осаждают первый электрохромный слой. В некоторых вариантах реализации изобретения первый электрохромный слой содержит катодный электрохромный материал. В других вариантах реализации изобретения данный слой содержит анодный электрохромный материал.
В некоторых случаях подложку нагревают перед осаждением первого электрохромного материала. Как правило, первый слой электрохромного материала, осаждают с помощью способа, в котором используют физическое или химическое осаждение из газовой фазы в вакууме или в других условиях контролируемого давления. В типовом варианте реализации изобретения способ включает распыление мишени, содержащей элементы электрохромного слоя. Тем не менее, в альтернативных вариантах реализации изобретения электрохромный слой осаждают при атмосферном давлении с помощью реакции в жидкой фазе.
x
В одном из вариантов реализации первый электрохромный слой содержит катодно-окрашиваемый электрохромный материал, который осаждают с помощью двух операций, в одной операции осаждают подслой основного материала с первым стехиометрическим числом, а во время второй операции осаждают подслой основного материала со вторым стехиометрическим числом. Например, катодно-окрашиваемым электрохромным материалом является оксид вольфрама, который имеет номинальный состав WO. Первый осажденный подслой может содержать смесь оксида вольфрама, в котором значение x составляет около 2,7-2,8, и второй осажденный подслой может содержать смесь из оксида вольфрама, в которой х составляет около 2,85-3,5. В одном примере первый подслой имеет большую толщину; например, имеет толщину около 400 нм, а второй подслой имеет толщину около 100 нм.
После осаждения первого электрохромного слоя, частично изготовленное устройство дополнительно литируют, как отображено в блоке 509 процесса. Операция литирования включает переход металлического лития или ионов лития в первый электрохромный слой. Литий может быть добавлен с помощью распыления или другим подходящим способом. Некоторые аспекты осаждения лития и мишени, используемые в процессах осаждения лития описаны в международной заявке № PCT/US 2012/034556, поданной 20 апреля 2012 г. (с указанием США) и в международной заявке № PCT/US 2012/042514, поданной 14 июня 2012 г. (с указанием США), которые полностью включены в настоящую заявку посредством ссылки.
Следующая операция процесса изготовления устройства 501 включает осаждение второго электрохромного слоя (пример противоэлектродного слоя, в основном, описан выше). Смотрите блок 511. Как и в случае осаждения первого электрохромного слоя, данный процесс осаждения может быть выполнение с использованием, например, физического или химического осаждения из газовой фазы. Если первый электрохромный слой содержит катодно-окрашиваемый электрохромный материал, второй электрохромный слой может содержать анодно-окрашиваемый электрохромный материал. Также будет верно обратное. Если первый электрохромный слой содержит анодно-окрашиваемый электрохромный материал, второй электрохромный слой может содержать катодно-окрашиваемый электрохромный материал. В некоторых вариантах реализации изобретения второй электрохромный слой содержит анодно-окрашиваемый электрохромный материал, например, оксид никеля или никель, легированный оксидом вольфрама (иногда называемый NiWO). В некоторых примерах, в которых оксид вольфрама-никеля служит в качестве второго электрохромного слоя, формируют слой толщиной в диапазоне около 200-300 нм. В некоторых случаях используют только один электрохромный слой. Ионы совершают возвратно-поступательные движения в и из отдельного электрохромного слоя, из и в неэлектрохромный противоэлектродный слой.
В примере на Фиг. 5А отдельный ион-проводящий слой между первым и вторым электрохромным слоем не осаждают. В альтернативных вариантах реализации изобретения между данными слоями осаждают ион-проводящий слой. Примеры подходящих ион-проводящих слоев включают представленные выше примеры в описании к Фиг. 4А.
После осаждения второго электрохромного слоя устройство, содержащее первый и второй электрохромные слои, литируют, как отображено в операции 513. Литирование может выполняться, как описано в контексте операции 509. Как уже упоминалось, операции литирования могут активировать выталкивание частиц, ранее введенных в структуру частично изготовленного электрохромного устройства. Хотя это не проиллюстрировано в технологическом процессе на Фиг. 5А, изолирующий защитный слой может быть осажден после любого из этапов, активирующих выталкивание частиц. Таким образом, в некоторых вариантах реализации изобретения, осаждение защитного изолирующего слоя может быть выполнено после операции литирования 509 или операции литирования 513.
Возвращаясь к технологическому процессу, проиллюстрированному на Фиг. 5А, после литирования устройства в 513, следующей операцией процесса является осаждение второго прозрачного электропроводящего оксидного слоя, как проиллюстрировано в операции 515. На данном этапе все структуры, необходимые для базового электрохромного устройства сформированы. В некоторых вариантах реализации изобретения присутствует следующая за осаждением послеоперационная обработка устройства для завершения процесса. Смотрите блок 517. Примеры подходящей послеоперационной обработки включают операции термического и/или химического кондиционирования. Данные операции описаны в патенте США №12/645111, который ранее был включен в данную заявку посредством ссылки.
На Фиг. 5В-5Е проиллюстрированы варианты основного способа, проиллюстрированного на Фиг. 5А. В каждом конкретном случае изображен основной технологический процесс, проиллюстрированный на Фиг. 5А, но с дополнительными или различными этапами осаждения изолирующего слоя в определенных местах процесса. Смотрите, например, операцию 521 на Фиг. 5В и операцию 523 на Фиг. 5С. На Фиг. 5В изолирующий слой осаждают после операции литирования 513 и до осаждения второго прозрачного электропроводящего слоя (операция 515). На Фиг. 5С изолирующий слой осаждают между операцией литирования 509 и осаждением второго электрохромного слоя (операция 511). В различных вариантах реализации изобретения первое литирование и осаждение изолирующего слоя выполняют до завершения первого электрохромного слоя. Обе данные операции осаждения выполняют непосредственно после операции литирования. Как уже объяснялось, процесс не ограничивается данной последовательностью. Другие операции, которые могут способствовать выталкиванию частиц, могут также активировать осаждение изолирующего слоя. Кроме того, изолирующий слой может быть осажден непосредственно (или вскоре) после этапа, при котором, вероятно, формируются частицы или иначе частицы прикрепляются к поверхности подложки. В таких конструкциях слой для минимизации влияния дефектов может использоваться для инкапсуляции таких частиц.
В некоторых случаях изолирующий слой осаждают в промежутке между двумя операциями осаждения второго электрохромного слоя. Получившееся устройство может иметь структуру, например, проиллюстрированную на Фиг. 4В. В некоторых случаях этап литирования выполняют после осаждения первой части второго электрохромного слоя и перед осаждением изолирующего слоя и второй части второго электрохромного слоя. В других вариантах реализации изобретения первый электрохромный слой разделен на две части, причем изолирующий слой находится между двумя частями.
В других вариантах реализации изобретения второй (или первый) электрохромный слой осаждают двумя частями, причем вторая часть служит в качестве изолирующего слоя для минимизации влияния дефектов. Пример структуры, полученной в результате таких процессов, вместе с соответствующим описанием проиллюстрирован на Фиг. 4С. В некоторых случаях операцию литирования выполняют после осаждения первой части электрохромного слоя, но до осаждения второй части слоя.
В некоторых вариантах реализации изобретения, например, на Фиг. 4С, изолирующий слой фактически содержит материал, состав которого лишь незначительно отличается от материала, входящего в состав электрохромного слоя. Например, вторая часть электрохромного слоя содержит изолирующий материал или по меньшей мере материал, который по меньшей мере имеет такие же изолирующие свойства, как первая часть электрохромного слоя. В некоторых случаях первая часть слоя имеет электрохромные свойства, а вторая часть слоя не имеет электрохромных свойств. Такие варианты реализации изобретения могут иметь множество преимуществ. Например, изолирующий слой будет полностью совместим с материалом, на который его осаждают. Это происходит из-за того, что материалы имеют очень похожие химические свойства.
В некоторых вариантах реализации изобретения второй электрохромный слой выполнен из оксида вольфрама-никеля, а также изолирующий слой также выполнен из оксида вольфрама-никеля. Тем не менее, основную часть второго электрохромного слоя и изолирующий слой осаждают при различных условиях технологического процесса. Например, в то время как оба слоя могут быть осаждены посредством технологии физического осаждения из газовой фазы с применением распыления мишеней из никеля и вольфрама, условия физического осаждения из газовой фазы будут разными. В некоторых случаях изолирующий слой осаждают при меньшем давлении и/или при меньших концентрациях кислорода, чем при осаждении электрохромного слоя оксида вольфрама-никеля. В некоторых случаях вторую часть изолирующего слоя осаждают при меньшей мощности, чем при осаждении второго электрохромного слоя. Кроме того, атомное соотношение никеля к вольфраму может быть ниже, чем в изолирующем слое. В других случаях атомное соотношение никеля к вольфраму одинаково в обеих частях слоя.
В некоторых примерах используют следующие диапазоны условий осаждения электрохромного слоя оксида вольфрама-никеля (NiWO1) и изолирующего слоя (NiWO2):
NiWO1
1 мТорр < Давление < 50 мТорр
60% < O2% < 100% (объемное или молярное)
0°C < Температура осаждения < 150°C
NiWO2
1 мТорр < Давление < 50 мТорр
40% < O2% < 70%
25°C < Температура осаждения < 200°C
В других примерах для формирования NiWO1 и NiWO2 используют следующие условия технологического процесса:
NiWO1
5 мТорр < Давление < 15 мТорр (или 7-12 мТорр)
70% < O2% < 90% (объемное) (или 70-80%)
20°C < Температура осаждения < 60°C
NiWO2
1 мТорр < Давление < 10 мТорр (или 3-7 мТорр)
40% < O2% < 60% (или 45-55%)
25°C < Температура осаждения < 60°C
На Фиг. 5D проиллюстрирована блок-схема для варианта реализации изобретения, в котором используют осаждение двух отдельных изолирующих слоев для минимизации влияния дефектов. Процесс начинается с операции 531, во время которой принимают подложку, содержащую первый прозрачный электропроводящий слой. В некоторых вариантах реализации изобретения прозрачный электропроводящий слой является слоем фторированного оксида олова, который дополнительно покрывают изолирующим слоем TiO2. Стеклянные подложки имеют характеристики, гарантируемые компанией Pilkington, Сент-Хеленс, Великобритания, и выпускаются, например, под торговой маркой Eclipse Advantage™. Подложка, принятая во время операции 531, может быть промыта и подготовлена, как описано выше. Смотрите этап 533. Следующий процесс включает формирование первого изолирующего слоя, как отображено в операции 535. Данный слой может быть подготовлен с помощью множества различных способов. Как было описано выше, подложка может поставляться с прозрачным электропроводящим слоем, а также изолирующим слоем (например, фторированным SnO, покрытым TiO2). Было обнаружено, что в некоторых вариантах реализации изобретения электрохромные устройства имеют более лучшие характеристики в случае, если были изготовлены на подложке, которая была предварительно отполирована. Такое полирование может включать, например, полирование верхней поверхности TiO2 с использованием полировального материала, содержащей оксид алюминия или другой электронно-изолирующий материал. Смотрите заявку на патент РСТ № PCT/US 2012/057606, озаглавленную "OPTICAL DEVICE FABRICATION" и поданную 27 сентября 2012 г., которая полностью включена в данную заявку посредством ссылки. Не ограничиваясь конкретной теорией, с помощью оксида алюминия или другого изолирующего материала, используемого для полирования, можно формировать изолирующий слой на поверхности первого прозрачного (электропроводящего ?) слоя или с помощью частиц оксида алюминия можно заполнить пустоты в оксиде олова или другом поставляемом с подложкой изолирующем материале. Во втором случае изолирующий слой содержит два различных материала, при этом один материал формируют на принятой подложке, а с помощью другого материала заполняют пустоты в первом материале. В других вариантах реализации изобретения первый изолирующий слой, сформированный во время операции 535, осаждают с помощью обычного процесса осаждения, например, физического осаждения из газовой фазы или химического осаждения из газовой фазы. Полученный слой может иметь такой же состав, как у изолирующего слоя, как описано в других местах данной заявки.
После формирования первого изолирующего слоя процесс может продолжаться практически так же, как описано по отношению к Фиг. 5В и/или 5С. Первый электрохромный слой осаждают во время операции 537, за которой следует дополнительная операция литирования 539. Затем дополнительно осаждают или локально формируют ион-проводящий слой с последующим осаждением второго электрохромного слоя. Смотрите этап 541. Изготовленное в данный момент устройство затем литируют, как отображается в операции 543. Второй изолирующий слой формируют во время операции 545. Материал, используемый для формирования второго изолирующего слоя, может быть таким же или отличным от того, который используют для формирования первого изолирующего слоя во время операции 535. Если первый изолирующий слой осаждают на подложку, полученную в процессе полирования или осаждают во время процесса полирования, как правило, второй изолирующий слой будет иметь состав или по меньшей мере морфологию, отличающиеся от первого изолирующего слоя.
После того, как был сформирован второй изолирующий слой, выполняют осаждение второго прозрачного электропроводящего слоя. Смотрите этап 547. Затем выполняют дополнительную послеоперационную обработку, как описано выше. Смотрите этап 549.
На Фиг. 5Е проиллюстрирован другой процесс формирования электрохромного устройства с пониженной дефектностью. Как проиллюстрировано, процесс начинается с блока 551 с приема подложки, содержащей различные, заранее сформированные слои. Данные слои могут содержать один или более диффузионно-барьерных слоев, например, слой оксида олова и оксида кремния, первый прозрачный электропроводящий слой, например, слой фторированного оксида олова, а также первый изолирующий слой для минимизации влияния дефектов. Как было описано выше, изолирующий слой для минимизации влияния дефектов может содержать или являться оксидом титана, оксидом олова, оксидом кремния, оксидом кремния-алюминия, оксидом тантала, оксидом вольфрама-никеля, различными нитридами, карбидами, оксикарбидами, оксинитридами и их различными комбинациями, и т.д.
После получения подложку можно промыть или иным способом подготовить к изготовлению устройства, как отображено в блоке 553. Как упоминалось выше, подготовка может включать резку, очистку, закалку и т.д. После этого, как указано в блоке 555, поверхность подложки дополнительно полируется. Полирование может выполняться с помощью, например, оксида алюминия, оксида церия, или другого соответствующего полировального материала на подходящей основе, с помощью которого создают полировальную суспензию или другой подходящий полировальный состав. Как описано выше, полирование может выполняться для различных целей. К этим целям относится, например, уменьшение шероховатости поверхности и внедрение изолирующего материала в изолирующий поверхностный слой, который в противном случае мог бы содержать ямки, дефекты, неоднородности и другие потенциальные источники короткого замыкания. Полировальный материал (например, оксид алюминия или оксид церия), который входит в состав полировального материала, является изолирующим материалом, заполняющим промежутки другого сплошного изолирующего слоя на подложке.
После дополнительного полирования напыляют первый и второй электрохромные слои, как описано выше и как проиллюстрировано на Фиг. 5Е в блоках 557 и 561. Затем выполняются этапы удаления частиц, например, литирование, как отображено в блоке 563. Затем поверх второго электрохромного слоя формируют второй изолирующий слой для минимизации влияния дефектов. Смотрите блок 565. В конкретном варианте реализации процесса, изображенного на Фиг. 5Е, второй изолирующий слой для минимизации влияния дефектов представляет собой менее электрохромную форму оксида вольфрама-никеля, В данном варианте реализации второй электрохромный слой представляет собой электрохромную форму оксида вольфрама-никеля. Первый электрохромный слой может быть оксидом вольфрама, который осаждают в один или более слоев. Как указано выше, в некоторых вариантах реализации изобретения второй слой оксида вольфрама, формируемый поверх первого слоя оксида вольфрама может иметь состав, который содержит сверхстехиометрическое количество кислорода.
После формирования второго изолирующего слоя для минимизации влияния дефектов в блоке 565, осаждают второй прозрачный электропроводящий слой, как отображено в блоке 567. Затем, выполняют послеоперационную обработку, например, термическое кондиционирование или термически-химическое кондиционирование как описано выше. Смотрите блок 569. Таким образом, в контексте данной блок-схемы, процесс завершен.
Изолирующий слой для минимизации влияния дефектов может осаждаться с помощью различных способов. Физическое и химическое осаждение из газовой фазы являются типичными. В некоторых случаях осаждение является конформным; то есть в ходе процесса напыляют изолирующий слой, выполненный с возможностью повторения контура ямок и других изменений топологии, вызванных выталкиванием частиц. Конформность процесса осаждения должна позволять слою повторять контуры порядка микрометров или нанометров (например, десятков или сотен нанометров). Примерами типов процессов осаждения, позволяющих достичь этих целей, является способ химического осаждения из газовой фазы и способ атомно-слоевого осаждения (ALD). Осаждение слоев устройства, выполняемое после осаждения изолирующего слоя, может выполняться аналогично, в частности, с помощью процесса конформного осаждения.
В то время как в большинстве вариантов реализации изобретения литирование представлено как операция, способствующая удалению частиц, для удаления частиц также могут использоваться и другие способы. Одним из них является "контактная очистка", способ, включающий использование контактного слоя частично изготовленного электрохромного устройства с контактным валиком, лентой или щеткой, выполненные с возможностью прилипания или притяжения частиц, с последующим удалением частиц из устройства. Как правило, для притяжения частиц при удалении при использовании способа контактной очистки используют статическое притяжение и/или адгезию. Некоторые изделия для контактной очистки коммерчески доступны, поставляются на рынок для отраслей промышленности, в которых используют очистку контактных фотографий и чистку лент. В различных вариантах реализации изобретения используют валковый механизм. В некоторых случаях используют два валика: первый валик для контакта и удаления частиц с поверхности устройства, а второй валик для контакта с первым валиком для удаления частиц, захваченных во время вращения первого ролика. Образцы доступных на рынке изделий контактной очистки для очистки отожженного стекловолокна производятся Teknek™ Ренфрушир, Шотландия, Великобритания, а также Technica.
В некоторых вариантах реализации изобретения контактный очиститель встроен в систему для изготовления электрохромных устройств. Обычно, хотя и не всегда, контактный очиститель используют вне вакуумной среды системы для осаждения слоев электрохромного устройства. В технологических процессах "обрезки и покрытия", может использоваться контактный очиститель одного размера. В других технологических процессах для очистки устройств, изготовленных на стекле различных размеров, используют контактные очистители различных размеров.
Другая категория способов удаления частиц основана на различном тепловом расширении частиц и слоев подложки, в которые внедрены частицы. Когда объем частиц увеличивается или уменьшается относительно окружающих слоев, частицы могут быть вытолкнуты, особенно в случае, если относительное изменение объема происходит быстро. В некоторых вариантах реализации изобретения механизмом активации изменения объема является облучение подложки светом с длиной волны, которая избирательно поглощается частицами, но не соседним слоем (слоями) или наоборот. В некоторых вариантах реализации изобретения механизмом активации относительного изменения объема является разный коэффициент теплового расширения частицы и соседнего слоя (слоев).
Тепловая энергия может подводиться различными способами. Например, как уже упоминалось, частицы и/или слой(и) подложки могут нагревать с помощью облучения. Облучение может производиться при длине волны или спектра длин волн от инфракрасного до ультрафиолетового диапазонов. Облучение может выполняться одной или более лампами, лазерами и т.д. Во время одного подхода коллимированный лазерный луч проходит над поверхностью частично изготовленного электрохромного устройства. Например, луч падает под скользящим углом на поверхность устройства по ширине устройства. Луч может распространяться перпендикулярно направлению или, практически, перпендикулярно направлению перемещения подложки, в котором перемещают электрохромное устройство. Во время другого подхода лазерный луч фокусируется на устройстве и перемещается по поверхности путем растрового сканирования.
В некоторых вариантах реализации изобретения тепловую энергию подают путем нагрева подложки с помощью нерадиационного механизма прохождения нагретого газа над поверхностью подложки/устройства и/или прохождения подложки/устройства через нагреваемый элемент, например, валик. В одном из вариантов реализации нагревательный элемент нагревают с помощью резистивного нагрева.
При другом подходе для удаления частиц с частично изготовленного электрохромного устройства применяют электростатическое притяжение. Электростатического притяжения достигают, например, путем контакта устройства с плазмой или придания заряда подложке, содержащей устройство. В одном из вариантов реализации изобретения используют двухступенчатый процесс. На первом этапе частицы заряжаются под воздействием плазмы. Затем, на втором этапе, подложка с заряженными частицами получает электрический заряд, который активирует выталкивание заряженных частиц. Например, обеспечивают электрический контакт с электропроводящим или частично электропроводящим слоем подложки и с помощью контакта прикладывают электрический заряд. В некоторых вариантах реализации изобретения подложка контактирует с зарядом того же знака, что и заряд, приложенный к частице при ее контакте с плазмой.
При дальнейшем подходе частично изготовленное электрохромное устройства подвергается воздействию сверхкритического флюида, например, сверхкритического диоксида углерода. Сверхкритические флюиды довольно эффективны при выталкивании и удалении частиц. Флюид может содержать сверхкритический растворитель (например, сверхкритический диоксид углерода с одной или более добавок для улучшения очищающего действия или другого свойства флюида. Сверхкритический флюид может быть приведен в контакт с частично изготовленным электрохромным устройством с помощью любого из ряда процессов. Например, устройство могут погружать или проводить через сверхкритический флюид. Флюид сам по себе может находиться в устойчивом или текучем состоянии. В различных вариантах реализации изобретения будет использоваться конвекция. Например, сверхкритический флюид может протекать через контакт подложки с камерой с активацией от насоса в рециркуляционном контуре. В некоторых вариантах реализации изобретения сверхкритической флюид используют в качестве криогенного аэрозоля. Флюид может быть распылен на устройстве с помощью устройства, такого как пульверизатор (или пистолет-распылитель), который перемещают относительно электрохромного устройства.
Во время еще одного подхода частицы выталкивают и/или удаляют путем подведения акустической энергии к частично изготовленному электрохромному устройству. Акустическая энергия может подаваться в любом из диапазонов частот, в том числе мегазвуковом, сверхзвуковом, ультразвуковом и др. В некоторых вариантах реализации изобретения источник колебаний непосредственно соединен с подложкой. В некоторых вариантах реализации изобретения источник колебаний находится непосредственном контакте с подложкой/устройством с помощью флюида.
Другой способ удаления включает обдув ионизированным воздухом, опционально с воздушным ножом. Еще один способ предполагает сквозное протравливание слоя устройства, содержащего частицы. Сквозное протравливание слоя может выполняться с помощью плазмы (например, фтора или кислорода, содержащего плазму), с помощью ионного травления и др. Частицы могут быть удалены с помощью процесса сквозного протравливания или просто вытолкнуты. В последнем случае операцию удаления отдельной частицы могут выполнять после операции сквозного протравливания. Такой способ может включать один или более способов, описанных выше, например, подведение заряда к подложке, контактирование подложки с сверхкритическим флюидом или избирательное нагревание частицы.
Если в качестве способа удаления частиц используют литирование, данный способ может быть реализован в различных конфигурациях. Например, литий может быть доставлен в однократной дозе или в многократных дозах, иногда к разным слоям устройства, например, к электрохромному и противоэлектродному слоям. В некоторых вариантах реализации изобретения весь литий, который требуется для устройства, доставляется за одну операцию. Например, литий может быть доставлен к противоэлектродному слою, а также предусмотрена диффузия или миграция лития в оставшуюся часть устройства. Если во время одной операции используют весь литий, внедрение обеспечивает максимальную объемную нагрузку на устройство и, вероятно, обеспечивает наиболее эффективный способ удаления частиц посредством литирования. Тем не менее, варианты литирования не ограничиваются однократной дозой.
Операция удаления частицы может быть выполнена на различных этапах последовательности изготовления электрохромного устройства. В то время как в приведенном выше описании внимание сосредоточено на удалении частиц из частично изготовленного электрохромного устройства, следует понимать, что любые способы удаления частиц также могут использоваться на полностью изготовленном электрохромном устройстве. Ниже представлен ряд примеров процессов. Каждый является вариантом следующего основного процесса:
Основной способ изготовления устройства
Формирование первого ТС слоя
Формирование ЕС слоя
Формирование IС слоя (опционально)
Формирование СЕ слоя
Формирование второго ТС слоя
Способы, при которых ион-проводящий слой не осаждают в отдельном этапе
Вариант 1
Формирование первого ТС слоя
Удаление частицы
Формирование изолирующего слоя
Формирование ЕС слоя
Формирование СЕ слоя
Формирование второго ТС слоя
Вариант 2
Формирование первого ТС слоя
Формирование ЕС слоя
Удаление частицы
Формирование изолирующего слоя
Формирование СЕ слоя
Формирование второго ТС слоя
Вариант 3
Формирование первого ТС слоя
Формирование ЕС слоя
Формирование СЕ слоя
Удаление частицы
Формирование изолирующего слоя
Формирование второго ТС слоя
Вариант 4
Формирование первого ТС слоя
Формирование ЕС слоя
Удаление частицы
Формирование СЕ слоя
Удаление частицы
Формирование изолирующего слоя
Формирование второго ТС слоя
Вариант 5
Формирование первого ТС слоя
Удаление частицы
Формирование ЕС слоя
Формирование СЕ слоя
Удаление частицы
Формирование изолирующего слоя
Формирование второго ТС слоя
Вариант 6
Формирование первого ТС слоя
Формирование ЕС слоя
Формирование частичного СЕ слоя
Удаление частицы
Формирование изолирующего слоя
Формирование остаточного СЕ слоя
Формирование второго ТС слоя
Вариант 7
Формирование первого ТС слоя
Удаление частицы
Формирование ЕС слоя
Формирование частичного СЕ слоя
Формирование изолирующего слоя
Удаление частицы
Формирование остаточного СЕ слоя
Формирование второго ТС слоя
Вариант 8
Формирование первого ТС слоя
Формирование ЕС слоя
Удаление частицы
Формирование частичного СЕ слоя
Формирование изолирующего слоя
Удаление частицы
Формирование остаточного СЕ слоя
Формирование второго ТС слоя
Способы, при которых ион-проводящий слой осаждают в отдельном этапе
Вариант 1
Формирование первого ТС слоя
Удаление частицы
Формирование изолирующего слоя
Формирование ЕС слоя
Формирование IС слоя
Формирование СЕ слоя
Формирование второго ТС слоя
Вариант 2
Формирование первого ТС слоя
Формирование ЕС слоя
Удаление частицы
Формирование изолирующего слоя
Формирование IC слоя
Формирование СЕ слоя
Формирование второго ТС слоя
Вариант 3
Формирование первого ТС слоя
Формирование ЕС слоя
Формирование IC слоя
Удаление частицы
Формирование изолирующего слоя
Формирование СЕ слоя
Формирование второго ТС слоя
Вариант 4
Формирование первого ТС слоя
Формирование ЕС слоя
Формирование IC слоя
Формирование СЕ слоя
Удаление частицы
Формирование изолирующего слоя
Формирование второго ТС слоя
Вариант 5
Формирование первого ТС слоя
Формирование ЕС слоя
Удаление частицы
Формирование IC слоя
Формирование СЕ слоя
Удаление частицы
Формирование изолирующего слоя
Формирование второго ТС слоя
Вариант 6
Формирование первого ТС слоя
Удаление частицы
Формирование ЕС слоя
Формирование IC слоя
Формирование СЕ слоя
Удаление частицы
Формирование изолирующего слоя
Формирование второго ТС слоя
Вариант 7
Формирование первого ТС слоя
Формирование ЕС слоя
Формирование IC слоя
Формирование частичного СЕ слоя
Удаление частицы
Формирование изолирующего слоя
Формирование остаточного СЕ слоя
Формирование второго ТС слоя
Вариант 8
Формирование первого ТС слоя
Формирование ЕС слоя
Удаление частицы
Формирование IC слоя
Формирование частичного СЕ слоя
Удаление частицы
Формирование изолирующего слоя
Формирование остаточного СЕ слоя
Формирование второго ТС слоя
Вариант 9
Формирование первого ТС слоя
Удаление частицы
Формирование ЕС слоя
Формирование IC слоя
Формирование частичного СЕ слоя
Удаление частицы
Формирование изолирующего слоя
Формирование остаточного СЕ слоя
Формирование второго ТС слоя
Хотя в каждом из перечисленных выше вариантов проиллюстрирован электрохромный слой, осаждаемый до противоэлектродного слоя, в любом из вариантов порядок осаждения любой может быть изменен на обратный.
В различных вариантах реализации изобретения удаление частиц выполняют в пределах слоя электрохромного устройства, имеющего высокое удельное сопротивление. В обычном пятислойном электрохромном устройстве (ЕС) (приведенная выше базовая структура - TC1/EC/IC/CE/TC2) удаление частиц может выполняться: (а) во время или после осаждения 5% IС, но (b) до или после осаждения 95% IС, и/или (с) во время или после осаждения 5% СЕ, но (d) до или во время осаждения 95% СЕ. В некоторых вариантах реализации изобретения частицы удаляют и затем осаждают слой для минимизации влияния дефектов после осаждения части резистивного составляющего материала (и материала, который сохраняет резистивные свойства даже в присутствии лития), но до осаждения остатка резистивного материала. В одном из вариантов данного процесса, остаток резистивного материала является изолирующим слоем для минимизации влияния дефектов. После удаления частиц остается отверстие, возможно, вплоть до ТС 1 слоя, которое затем будет заполнено изолирующим материалом. Любые частицы, добавляемые в процессе удаления частиц, уже будут постоянно находиться поверх первой части резистивного компонента устройства и, следовательно, не будут причиной угрозы короткого замыкания. Обратите внимание, что оксид вольфрама в присутствии лития может стать электропроводящим. Таким образом, в некоторых вариантах реализации изобретения использование оксида вольфрама в качестве электрохромного материала, удаление частиц и осаждение изолирующего слоя выполняют в слое, который не является слоем оксида вольфрама.
ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗОЛИРУЮЩЕГО СЛОЯ ДЛЯ МИНИМИЗАЦИИ ВЛИЯНИЯ ДЕФЕКТОВ
В различных вариантах реализации изобретения изолирующий слой для минимизации влияния дефектов препятствует возникновению коротких замыканий путем предотвращения возникновения прямого электрического контакта между слоями с противоположной полярностью. В различных вариантах реализации изобретения изолирующий слой для минимизации влияния дефектов инкапсулирует частицы и предотвращает их выталкивание. К характеристикам изолирующего слоя могут относиться: прозрачность в диапазоне длин волн видимого света, слабый электрохромизм или его полное отсутствие, электрическое сопротивление, сопоставимое или более высокое чем у нелегированного материала электрода (электрохромного и/или материала противоэлектрода), а также физическая и химическая долговечность.
-4
-6
-4
14
-5
12
13
2
12
6
12
7
9
Одним из свойств изолирующего слоя является его удельное поверхностное электрическое сопротивление. Как правило, изолирующий слой должен иметь величину удельного поверхностного электрического сопротивления практически более высокую, чем у прозрачного электропроводящего слоя, часто на порядок выше. В некоторых вариантах реализации изобретения изолирующий слой имеет электрическое сопротивление, являющееся промежуточным между электрическим сопротивлением ион-проводящего слоя и прозрачного электропроводящего слоя (например, индия, легированного оксидом олова). Таким образом, электрическое удельное сопротивление должно быть выше чем около 10 Ом⋅см (приблизительное удельное поверхностное сопротивление оксид индия-олова) или выше чем около 10 Ом⋅см. В некоторых случаях изолирующий слой имеет электрическое сопротивление в диапазоне около 10 Ом⋅см и 10 Ом⋅см (приближенное удельное сопротивление типового ионного проводника для электрохромных устройств) или в диапазоне около 10 Ом⋅см и 10 Ом⋅см. В некоторых вариантах реализации изобретения электрическое сопротивление материала изолирующего слоя лежит в диапазоне между около 1 и 5×10 Ом⋅см, или в диапазоне около 10 и 10 Ом⋅см, или между около 10 и 5×10 Ом⋅см, или между около 10 и 5×10 Ом⋅см. В некоторых вариантах реализации изобретения материал изолирующего слоя для минимизации дефектов будет иметь сопротивление, которое сопоставимо (например, с порядком величины) с сопротивлением материала противоэлектрода электрохромного слоя.
Сопротивление материала пропорционально толщине изолирующего слоя. С помощью данной величины поверхностного удельного сопротивления и толщины определяют величину поверхностного сопротивления слоя, которая фактически является более важной, чем только удельное поверхностное сопротивление само по себе. (Материал меньшей толщины будет иметь более низкое поверхностное сопротивление слоя). В случае использования материала, имеющего относительно высокое значение удельного поверхностного сопротивления слоя, электрохромное устройство может быть спроектировано с относительно тонким изолирующим слоем, который может быть пригоден для обеспечения оптической характеристики устройства. В некоторых вариантах реализации изобретения изолирующий слой имеет толщину около 100 нм или меньше или около 50 нм или меньше. В одном примере изолирующий слой имеет толщину около 5 нм, в другом примере изолирующий слой имеет толщину около 20 нм, а еще в одном примере изолирующий слой имеет толщину около 40 нм. В некоторых вариантах реализации изобретения электрическое поверхностное сопротивление изолирующего слоя находится в диапазоне около 40-4000 Ом/квадрат или в диапазоне около 100-1000 Ом/квадрат. В некоторых случаях изолирующий материал является полупроводником, имеющим поверхностное сопротивление слоя, которое сложно измерить.
В некоторых вариантах реализации изобретения, в частности, тех, в которых изолирующий слой для минимизации влияния дефектов осаждают на подложку, в отдельных случаях используют слой с большей толщиной. Например, толщина может быть в диапазоне около 5-500 нм, или в диапазоне около 5-100 нм, или 10-100 нм, или в диапазоне около 15-50 нм, или в диапазоне около 20-50 нм или в диапазоне около 20-40 нм.
В некоторых вариантах реализации изобретения материал, входящий в состав изолирующего слоя, имеет относительно низкую необратимую зарядовую емкость. В контексте электрохромного устройства зарядовая емкость материала представляет собой способность материала к двустороннему переносу ионов лития при обычном повторении электрохромных циклов. Необратимая зарядовая емкость - это способность материала необратимо перемещать ионы лития, которые присутствуют во время изготовления или во время начального повторения циклов. Данные ионы лития, размещаемые как необратимый заряд, не доступны для последующих циклических перемещений в и из материала, в котором они изолированы. Если изолирующий материал имеет высокую зарядовую емкость, он может служить в качестве резервуара нефункциональных ионов лития (как правило, в слое не проявляется электрохромизм, поскольку ионы лития, которые переходят в данный резервуар, не активируют переход в окрашенное или неокрашенное состояние). Таким образом, наличие данного дополнительного слоя требует введения в устройство дополнительных ионов лития только для того, чтобы их мог принимать данный дополнительный слой. Конечно, это является недостатком, так как при изготовлении литий сложно интегрировать в устройство.
2
2
2
2
2
2
В некоторых вариантах реализации изобретения зарядовая способность изолирующего слоя для минимизации влияния дефектов лежит в диапазоне около 10-100 мКл/см⋅мкм; например, в диапазоне около 30-60 мКл/см⋅мкм. Для сравнения, зарядовая емкость типового электрохромного слоя оксида вольфрама-никеля составляет около 120 мКл/см⋅мкм. В некоторых вариантах реализации изобретения необратимая зарядовая емкость изолирующего слоя для минимизации влияния дефектов лежит в диапазоне около 30-100 мКл/см⋅мкм; например, в диапазоне около 100-110 мКл/см⋅мкм. Для сравнения, зарядовая емкость типового электрохромного слоя оксида вольфрама-никеля, как правило, составляет менее чем около 100 мКл/см⋅мкм.
-7
-12
8
-11
-9
-10
В некоторых вариантах реализации изобретения изолирующий слой для минимизации влияния дефектов является ион-проводящим. Это справедливо в случае, если слой осаждают до осаждения второго из двух электродов (электрохромного и противоэлектрода). В некоторых вариантах реализации изобретения изолирующий слой для минимизации влияния дефектов имеет ионную проводимость в диапазоне около 10 См/см-10 См/см, или в диапазоне около 10 См/см-10 См/см или в диапазоне 10 См/см-10 См/см.
В некоторых вариантах реализации изобретения изолирующий слой для минимизации дефектов имеет плотность не более около 90% максимальной теоретической плотности материала, из которого он изготовлен.
В некоторых вариантах реализации изобретения изолирующий слой при нормальной работе проявляет электрохромизм в небольшой мере или не проявляет его. Электрохромизм может быть измерен путем подачи напряжения или другой движущей силы, изменяемых определенным образом, и измерения изменения оптической плотности или проницаемости устройства.
Материал изолирующего слоя также должен обладать хорошими оптическими свойствами. Например, он должен иметь сравнительно низкую оптическую плотность; например, ниже чем около 0,1 или ниже чем около 0,05. Кроме того, материал может иметь показатель преломления, соответствующий соседним материалам в структуре для того, чтобы не вносить существенного отражения. Материал также должен иметь хорошую адгезию с другими материалами, прилегающими к нему в структуре электрохромного устройства.
Как уже упоминалось выше, изолирующий слой для минимизации дефектов может служить для инкапсуляции частиц, которые осаждают на устройство во время изготовления. За счет инкапсуляции данных частиц, менее вероятно, что они будут вытолкнуты. Если это является целью, то операцию осаждения изолирующего слоя для минимизации влияния дефектов следует выполнять сразу или вскоре после операции процесса или операций, во время которых существует высокая вероятность попадания частиц в структуру устройства. Кроме того, если целью является инкапсуляция, то желательно использовать более толстые слои.
3
Для изготовления изолирующих слоев для минимизации дефектов могут использоваться различные материалы. К ним относятся различные прозрачные оксиды металлов, например, оксид алюминия, оксид цинка, оксид олова, оксид кремния-алюминия, оксид кремния, оксид церия, стехиометрический оксид вольфрама (например, WO, в котором отношение кислорода к вольфраму составляет ровно 3), варианты оксида вольфрама-никеля, и сильно оксидированный оксид индия-олова (ITO). В некоторых случаях изолирующий материал выбирают из оксида алюминия, оксида цинка, оксида кремния-алюминия, оксида тантала и оксида вольфрама-никеля (как правило, не электрохромного типа). При этом, могут использоваться некоторые нитриды, карбиды, оксинитриды, оксикарбиды, и фториды, имеющие удельное поверхностное сопротивление от среднего до высокого и оптическую прозрачность. Например, могут использоваться нитриды, такие как нитрид титана, нитрид тантала, нитрид алюминия, нитрид кремния и/или нитрид вольфрама. Кроме того, могут использоваться карбиды, такие как карбид титана, карбид алюминия, карбид тантала, карбид кремния и/или карбид вольфрама. В различных вариантах реализации изобретения могут использоваться оксикарбиды и/или оксинитриды. Если не указано иначе, каждая из этих композиций присутствует в различной стехиометрии или соотношении элементов. Для изолирующих слоев, содержащих никель и вольфрам, соотношение никеля к вольфраму может контролироваться таким образом, что используются относительно высокие соотношения. Например, Ni:W (атомное) соотношение может быть в диапазоне около 90:10 и 50:50 или в диапазоне около 80:20 и 60:40.
В некоторых случаях материал, выбранный для изолирующего слоя для минимизации влияния дефектов, является материалом, который хорошо внедряется в электрохромную структуру. Внедрение может выполняться путем: (а) использования композиций, подобных данным материалам, в слоях, соседних с изолирующим слоем в структуре (обеспечивает простоту изготовления), и (b) использования материалов, оптически совместимых с другими материалами в структуре, при этом уменьшающих ухудшение качества структуры в целом.
Хотя вышеизложенное изобретение с целью облегчения понимания было описано достаточно подробно, описанные варианты реализации изобретения следует считать иллюстративными, а не ограничивающими. Для специалистов в данной области техники будет очевидно, что определенные изменения и модификации могут быть реализованы в пределах объема прилагаемой формулы изобретения.