Die Leitfähigkeit von Materialien hat einen direkten Einfluss auf die Effizienz elektrochromer (EC) Geräte, da eine moderate Leitfähigkeit die erforderlichen Potenziale erhöht, um die elektrochemische Antwort zu aktivieren. Dieser Effekt tritt auf, da die ionische Mobilität in halbfesten Gel- und Festelektrolyten stark vom elektrischen Feld zwischen den Elektroden abhängt. Besonders herausfordernd ist die Leistungsbeurteilung von organischen Halbleiter-Elektroden-Systemen, da viele konkurrierende Prozesse über mehrere Schichten hinweg stattfinden. Diese Prozesse sind nicht nur schwer zu überwachen, sondern auch empfindlich gegenüber Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit und UV-Licht, was die Lebensdauer und Stabilität der Geräte erheblich beeinträchtigen kann.

Ein gutes Beispiel für diese Umwelteinflüsse ist PEDOT:PSS, ein weit verbreitetes Material in der organischen Elektronik. Wenn es über längere Zeit Sauerstoff und Feuchtigkeit ausgesetzt wird, kommt es zu einer Phasentrennung der PEDOT- und PSS-Ketten. Diese Trennung ist ein deutliches Zeichen dafür, dass die hygroskopischen Eigenschaften und die Acidität der PSS-Gruppe die Hauptursache für den Leistungsabfall sind. Die Auswirkungen von Feuchtigkeit und Sauerstoff auf organische Materialien sind daher gravierend und erfordern spezialisierte Schutzmaßnahmen, wie zum Beispiel die Entwicklung weniger hygroskopischer organischer Materialien und die Anwendung von Schutzbeschichtungen, die die Geräte präzise versiegeln und einkapseln.

Neben diesen Einschränkungen haben organische Materialien auch bemerkenswerte Eigenschaften wie eine hohe Farbmodulierbarkeit. Ihre geringen Molekülgrößen führen jedoch zu thermischer Diffusion, was die Stabilität in Geräten verringert. Ein weiteres Problem besteht darin, dass viele organische EC-Polymere und kleine Moleküle keine vollständig farblosen Zustände erreichen können, was auf die erweiterten Absorptionsbänder von Polaronen und Bipolaronen im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums zurückzuführen ist. So zeigt beispielsweise PEDOT:PSS im entladenen Zustand eine schwach blaue Färbung, was für Anwendungen in intelligenten Fenstern und EC-Technologien weniger attraktiv ist. Auch PANI und seine Derivate haben im entladenen Zustand eine grünliche Färbung, während der gefärbte Zustand ein faszinierendes bläulich-grünes Schimmern zeigt.

Eine der besten organischen EC-Materialien in Bezug auf die Synthese, optische Modulation und Transmittanz im entladenen Zustand ist der ProDOT-Derivat. Trotz seiner hervorragenden Eigenschaften zeigt auch dieses Polymer eine blaue Färbung im entladenen Zustand, was den intensiven Forschungsaufwand in den letzten Jahren erklärt, um durch chemische Modifikationen neue EC-Polymere zu entwickeln, die eine bessere Farbschattierung und höhere Lichtdurchlässigkeit bieten.

Ein vielversprechender Ansatz wurde vom Fraunhofer-Institut entwickelt, wo die Einführung einer terminalen Doppelbindung in der seitlichen Seitenkette von 3,4-ethylen-dioxythiophen (EDOT)-Derivaten die Lichtdurchlässigkeit und Farbneutralität im entladenen Zustand im Vergleich zu nicht modifiziertem PEDOT oder anderen konjugierten EC-Polymeren erhöhte. Der PEDOT-Derivat mit einer Hexenyl-Seitenkette (EthC6) fördert eine intensivere π-Übereinanderlagerung zwischen den konjugierten Polymerketten und verringert die Bandlücke. Diese Modifikation verbessert nicht nur die Planarität des Systems, sondern auch die intramolekularen Wechselwirkungen und hat die Leistung der EC-Geräte erheblich gesteigert.

Im Gegensatz dazu stehen anorganische EC-Materialien, die im Allgemeinen eine geringere Effizienz und langsamere Reaktionszeiten aufweisen, während sie gleichzeitig in Bezug auf Farbtonanpassung und Kolorationsfähigkeit eingeschränkter sind. Ihre Herstellung ist zudem kostenintensiver, insbesondere bei der Verwendung von energieaufwändigen Sputter-Abscheidungstechniken. Ein Vorteil dieser Materialien ist jedoch ihre höhere Stabilität gegenüber Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit und UV-Licht, was sie zu einer besseren Wahl für Anwendungen in der Architektur, beispielsweise bei der Herstellung von smarten Fenstern und energieeffizienten Bauweisen, macht.

Ein herausragendes Beispiel für ein anorganisches Material ist WO3, das in der EC-Technologie aufgrund seiner Stabilität und Effizienz weit verbreitet ist. Für eine verbesserte Leistung müssen jedoch nicht nur die Materialien selbst, sondern auch die Elektrolyte optimiert werden. Organische Lösungsmittel wie Propylencarbonat oder Ethylencarbonat sind häufig besser geeignet als wässrige Elektrolyte, die mit Materialien wie WO3 inkompatibel sind. Durch den Einsatz von nicht wässrigen Elektrolyten kann die EC-Antwort verbessert und eine höhere Umkehrbarkeit des Verhaltens erzielt werden.

Ein weiterer kritischer Punkt für die Leistung von anorganischen EC-Materialien ist ihre Struktur. Eine effektive Strategie, um die Reaktionsgeschwindigkeit und das Schaltverhalten zu verbessern, ist die Nanostrukturierung der EC-Schichten. Eine ideale Struktur besteht aus einem mesoporösen, vollständig miteinander verbundenen Netzwerk, das eine effektive Penetration des Elektrolyten ermöglicht und eine gute Ladungstransportfähigkeit an der Grenzfläche mit der EC-Schicht bietet. Kleinere Porendurchmesser von 2 bis 50 nm fördern dicht vernetzte, hochporöse Strukturen, die als dünne Schichten verarbeitet werden können und die elektrische Widerstandsfähigkeit verringern. Um extrem schnelle Reaktionszeiten zu erzielen, muss der Radius der Strukturen in der Nähe des Lithiumdiffusionsabstands liegen, der etwa 5 nm beträgt. Eine weitere Verkleinerung der Struktureinheiten könnte jedoch die Morphologie und Stabilität der EC-Schicht beeinträchtigen.

Wie man die Langlebigkeit von elektrochromen Geräten sicherstellt: Die Rolle von Elektrolyten und Analyseverfahren

Die Wahl des richtigen Elektrolyten ist entscheidend für die Entwicklung von langlebigen und effizienten elektrochromen (EC) Geräten, insbesondere für flexible Substrate und Anwendungen in großen Flächen. Elektrolyte beeinflussen nicht nur die Ionenleitfähigkeit und optischen Eigenschaften der Geräte, sondern spielen auch eine zentrale Rolle in der chemischen Kompatibilität, mechanischen Festigkeit und vor allem der elektrochemischen Stabilität. Aufgrund der Komplexität der elektrochromen Systeme ist es ein häufiger Fehler zu glauben, dass eine spezifische Art von Elektrolyt für alle Geräte die beste Lösung darstellt. Vielmehr muss der Elektrolyt an die spezifische Konfiguration des Geräts und die Interaktion mit anderen Materialien angepasst werden.

Ein idealer Elektrolyt für EC-Geräte sollte neben einer hohen Ionenleitfähigkeit auch chemische Stabilität, optische Transparenz und ästhetisch ansprechende Merkmale aufweisen. Diese Merkmale umfassen nicht nur eine neutrale Farbe und das Fehlen von Oberflächenfehlern, sondern auch eine hohe Kompatibilität mit der Gerätestruktur und den Materialien an der Grenzfläche. In dieser Hinsicht bieten halbfeste, plastifizierte und feststoffbasierte Elektrolyte besonders vielversprechende Möglichkeiten für die industrielle Nutzung und praktische Anwendungen.

Die Haltbarkeit von smarten Fenstern und elektrochromen Geräten stellt jedoch nach wie vor eine der größten Herausforderungen dar. Externe Umweltfaktoren wie Feuchtigkeit, Sauerstoff, Licht, Temperatur und Verunreinigungen sowie interne Betriebsfaktoren, insbesondere die elektrische Belastung und elektrochemische Behandlungen, können die Funktionsweise und Stabilität dieser Geräte negativ beeinflussen. Um die Stabilität unter externen Umweltbedingungen zu gewährleisten, wird eine hermetische Versiegelung empfohlen. Bei der operativen Stabilität, die vor allem durch die Materialeigenschaften und die Interfaces bestimmt wird, muss das System den während der Schaltvorgänge anliegenden Spannungen standhalten.

Die Auswahl und Anwendung der richtigen Analyseverfahren sind ebenso wichtig, um die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Materialien und Geräte zu verstehen. Hierbei kommen verschiedene Techniken zum Einsatz, die die Oberfläche und Struktur der Materialien untersuchen, sowohl in ihrer reinen Form als auch nach der Deposition als dünne Filme für die Gerätemontage. Zu den am häufigsten verwendeten Analysemethoden gehören die Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS), optische und Elektronenmikroskopie, Röntgenbeugung (XRD), Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR), Raman-Spektroskopie und Kernresonanzspektroskopie (NMR).

Die XPS-Technik ist besonders nützlich, um die Oberfläche von Materialien zu analysieren und die atomare Zusammensetzung sowie die chemischen Eigenschaften der Oberflächen zu bestimmen. Diese Methode misst die Bindungsenergien von Elektronen und liefert wertvolle Informationen über die chemische Zusammensetzung und die Bindungsverhältnisse in einem Material. Besonders relevant für die Analyse von EC-Materialien und -Geräten ist die Fähigkeit von XPS, Prozesse an der Oberfläche zu überwachen, wie z.B. Sorption, Redoxreaktionen oder Korrosion. Dies ist von entscheidender Bedeutung, um das Verhalten der Materialien während des Betriebs und die langfristige Stabilität der Geräte zu bewerten.

Ein weiteres Beispiel ist die Analyse von a-WO3-Filmen, bei denen das XPS-Spektrum eindeutig die elektronische Konfiguration des Materials sowohl im gefärbten als auch im farblosen Zustand identifiziert. Diese Informationen helfen dabei, die Material- und Geräteleistung im Hinblick auf ihre Langzeitstabilität zu optimieren.

Die Wahl des Elektrolyten und der Analyseverfahren stellt eine wesentliche Grundlage für die Verbesserung der Effizienz und Haltbarkeit elektrochromer Geräte dar. Dabei ist es wichtig zu verstehen, dass die Haltbarkeit von smarten Fenstern und elektrochromen Geräten nicht nur durch die Auswahl des richtigen Materials, sondern auch durch den Umgang mit den Umwelteinflüssen und den operativen Bedingungen bestimmt wird. Die Implementierung von Schutzmaßnahmen, wie etwa einer hermetischen Versiegelung oder speziellen Oberflächenbehandlungen, kann die Lebensdauer dieser Technologien erheblich verlängern und die Betriebsfähigkeit unter extremen Bedingungen sichern.

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