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Thermochrome Perowskit-Fenster haben das Potenzial, die Energieeffizienz von Gebäuden erheblich zu steigern und eine wichtige Rolle im Kampf gegen den Klimawandel zu spielen. Diese Fenstertechnologie basiert auf Perowskitmaterialien, die ihre optischen Eigenschaften in Abhängigkeit von der Temperatur verändern. Dadurch passen sich diese Fenster dynamisch an die äußeren Wetterbedingungen an und ermöglichen es, die Menge an Sonnenlicht, die in ein Gebäude eindringt, zu regulieren, um den Energieverbrauch für Heizung und Kühlung zu optimieren.
Ein bemerkenswertes Beispiel für diese Technologie ist das H-MAPbI3−xClx Thermochromsystem, das bei niedrigen Temperaturen in einen hydratisierten Perowskit-Zustand übergeht und bei hohen Temperaturen eine dunkelrotbraune Perowskit-Phase annimmt. Dieser Prozess erfordert keine speziellen Gase oder Lösungsmittel und übertrifft herkömmliche T-Perowskit-Fenster in mehreren Aspekten. Insbesondere hinsichtlich der optischen Eigenschaften, der Übergangstemperatur, der Übergangszeit und der Hysterese- Breite zeigt dieses System beeindruckende Werte. Der Übergang von der kalten in die heiße Phase erfolgt schnell und mit einer guten Modulation des optischen Spektrums, was es zu einer vielversprechenden Lösung für energieeffiziente Gebäude macht.
Bei einer Feldstudie in einem Modellhaus in Hongkong (subtropisches Klima) konnte das System eine bemerkenswerte Temperaturreduzierung von 3,5 °C im Innenraum erreichen, was das enorme Potenzial dieser Technologie zur Energieeinsparung unterstreicht. Eine der Herausforderungen bei der Verwendung von Perowskit-Fenstern in der Praxis besteht jedoch darin, dass das Material in einem doppelt verglasten Fenster versiegelt werden muss, um Feuchtigkeit zu kontrollieren und eine langfristige Nutzung ohne Leckagen zu gewährleisten.
Eine Lösung für dieses Problem wurde von derselben Forschergruppe vorgeschlagen, indem sie T-Perowskit-Fenster entwickelten, die mit CWO (Chromium-Tungsten-Oxid) kombiniert wurden, einem Photothermalmaterial. Das CWO absorbiert den nahen Infrarotbereich der Sonneneinstrahlung und wandelt ihn in Wärme um, wodurch das Fenster selbst bei Raumtemperatur (RT) auf eine Temperatur über der Übergangstemperatur des H-MAPbI3−xClx erhitzt wird. Dieser Prozess löst den thermochromen Übergang aus, wodurch sich das Fenster von einem hochtransparenten Zustand in einen dichten, lichtabsorbierenden Zustand verwandelt.
Die Kombination von CWO und Perowskit führt zu einem Fenster, das eine hohe Solarmodulationsfähigkeit und eine starke Absorption im Nahinfrarotbereich (NIR) aufweist. Bei schwacher Sonneneinstrahlung oder niedrigeren Umgebungstemperaturen bleibt das Fenster im hochtransparenten, kalten Zustand, wodurch ausreichend natürliches Licht in den Raum gelangt. Die innovative Kombination dieser Materialien erfordert keine strikte Kontrolle der relativen Luftfeuchtigkeit im doppelt verglasten Bereich und vereinfacht somit sowohl die Montage als auch den Betrieb des Fensters.
Zur Verbesserung der Energieeffizienz kann eine zusätzliche Schicht aus SnO2-Ag-SnO2 mit niedriger Emissivität auf die Innenseite des Fensters aufgebracht werden. Diese Schicht minimiert den Wärmeverlust und verhindert eine Überhitzung des Innenraums, indem sie die mittleren Infrarotstrahlen blockiert. Simulationen mit EnergyPlus ergaben eine bemerkenswerte Reduzierung der Innentemperatur um 8 °C und eine signifikante Energieeinsparung von 9,1–13,8 % in subtropischen und tropischen Regionen. Diese Zahlen belegen das Potenzial thermochromer Fenster für die Reduzierung des Energieverbrauchs und die Verringerung von Klimawandelwirkungen.
Trotz dieser beeindruckenden Ergebnisse gibt es noch wichtige Herausforderungen, die es zu überwinden gilt. Eine der größten Hürden ist die hohe Übergangstemperatur des Materials. Für den praktischen Einsatz von Thermochromfenstern ist es entscheidend, Materialien mit niedrigen Übergangstemperaturen zu entwickeln, die gleichzeitig stabil und langlebig sind. Besonders vielversprechend erscheinen bleifreie Perowskite, die eine geringere Toxizität aufweisen und stabiler sind als ihre bleihaltigen Pendants.
Die Forschung konzentriert sich daher nicht nur auf die Verbesserung der Effizienz und Stabilität dieser Materialien, sondern auch auf die Schaffung von neuartigen, innovativen Architekturen für die Fenster. Ein weiteres interessantes Forschungsfeld ist die Entwicklung von Perowskit-Materialien mit einer idealen Übergangstemperatur von 20–27,5 °C, wie sie in den letzten Studien von Rosales et al. (2023) nachgewiesen wurden. Diese optimierten Materialien könnten den Weg für die Entwicklung von Fenstern ebnen, die nicht nur in der Theorie, sondern auch in der Praxis hervorragende Ergebnisse erzielen.
Neben den Perowskit-basierten Lösungen werden auch andere faszinierende Technologien wie elektrochromische Fenster und Photovoltaik-gekoppelte Systeme (PVCC) in die Forschung einbezogen. Diese Technologien versprechen ebenfalls eine erhebliche Energieeinsparung und könnten in den kommenden Jahren eine immer größere Rolle im Bereich der intelligenten Fenster und energieeffizienten Gebäude spielen.
Es ist jedoch wichtig, dass zukünftige Entwicklungen in der Thermochromie präzise auf die Bedürfnisse der Praxis abgestimmt werden. Dazu gehört nicht nur die Auswahl der richtigen Übergangstemperatur, sondern auch die Verbesserung der Materialbeständigkeit und die Berücksichtigung von Umweltfaktoren wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit. Die Schlüsseltechnologien müssen nicht nur theoretisch funktionieren, sondern auch unter realen Bedingungen in Gebäuden effektiv eingesetzt werden können.
Wie Mixed-Ionische und Elektronische Leiter die Entwicklung neuer elektrochemischer und multifunktionaler Geräte beeinflussen
Die Forschung zu Materialien, die sowohl ionische als auch elektronische Leitfähigkeit aufweisen, hat in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Diese sogenannten MIEC-Materialien (Mixed Ionic and Electronic Conductors) eröffnen neue Perspektiven für die Gestaltung von Geräten, die nicht nur ihre Struktur, sondern auch ihre Funktionsweise und Herstellungsverfahren revolutionieren können. Besonders im Bereich der organischen Elektronik, insbesondere bei der Entwicklung von elektronischen Bauelementen auf der Basis von Polymeren und kleinen Molekülen, bietet sich ein großes Potenzial für die Integration in flexible, leichte und großflächige Dünnfilmgeräte. Diese Materialien zeichnen sich durch ihre einzigartige Fähigkeit aus, sowohl ionische als auch elektronische Ladungsträger zu transportieren, was zu einer Vielzahl neuer Anwendungen führt.
Die experimentelle Untersuchung der Leitfähigkeit dieser Polymerfilme erfolgt häufig durch die Messung der Impedanz mit Hilfe von Wechselstrom-Impedanzspektroskopie (AC-IMP), die eine detaillierte Analyse der physikalischen Prozesse ermöglicht. In Kombination mit DC-Messungen, die Ionensperr-Elektroden verwenden, kann die Gesamtleitfähigkeit des Materials ermittelt werden. Diese setzt sich aus der ionischen und elektronischen Leitfähigkeit zusammen und bietet einen umfassenden Überblick über die elektrischen Eigenschaften der Filme. Die Impedanzmessungen ermöglichen die Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Transportmechanismen, sowohl im elektronischen als auch im ionischen Bereich.
Ein weiteres wichtiges Verfahren zur Untersuchung dieser Materialien ist die Impedanzspektroskopie, die auf den Frequenzbereich und das Zeitverhalten der Materialien eingeht. Besonders nützlich ist diese Methode, um unterschiedliche physikalische Prozesse, die mit der Ladungsübertragung verbunden sind, zu trennen und zu analysieren. Ein typisches Modell zur Beschreibung der Impedanz in MIEC-Systemen ist das Randles-Modell, das verschiedene Widerstände und Kapazitäten berücksichtigt, die jeweils unterschiedliche Transportprozesse widerspiegeln. So beschreibt der Serienwiderstand (Rs) die Hochfrequenzimpedanz und steht für die Widerstände, die durch Kabel, Leitungen und die elektrische Widerstandskomponente der OMIEC-Filme entstehen. Der parallele Widerstand (Rp) repräsentiert den direkten Elektronentransfer zwischen Elektrolyt und OMIEC, während die Kapazität (C) die Wechselwirkungen an den Grenzflächen des Elektrolyten und des OMIEC abbildet. Wenn das Verhalten dieser Elemente von dem einfachen Randles-Modell abweicht, ist es notwendig, komplexere Modelle zu verwenden, um genauere Informationen über Diffusionskoeffizienten und elektronische Mobilitäten zu gewinnen.
Der technologische Fortschritt im Bereich der MIEC-Materialien hat das Design von neuen elektrochemischen und multifunktionalen Geräten erheblich beeinflusst. So können Geräte auf Basis von organischen elektrochemischen Transistoren, Licht emittierenden elektrochemischen Zellen, elektrochromen Systemen, Batterien, Superkondensatoren und vielen anderen Anwendungen von den einzigartigen Eigenschaften dieser Materialien profitieren. Besonders hervorzuheben ist die Modulation von Ladungsdichte und elektronischen Transporteigenschaften, die eine präzisere Steuerung von Energielevels, optischen Bandlücken und Ionenleitfähigkeiten ermöglichen.
Die elektrochromen Eigenschaften von OMIECs, bei denen optische Übergänge durch die Einführung von energetischen Zuständen im Bandabstand entstehen, haben eine besondere Relevanz für den Bereich der elektrochromen und multifunktionalen Geräte. Dopingprozesse, die eine Oxidation oder Reduktion des Materials bewirken, führen zur Entstehung von Polarons und Bipolarons, die die Absorptionsspektren des Polymers verändern und so eine breite Palette von Farben ermöglichen. Durch die chemische Modifikation der konjugierten Rückgratstrukturen können diese Materialien so angepasst werden, dass sie die gesamte Farbspektrum abdecken. Dies bietet enorme Vorteile für die Entwicklung von Geräten wie selbsttönenden Fenstern oder multifunktionalen Displays, bei denen die Farbwechsel durch elektrische Potenziale oder Redox-Reaktionen in das Material induziert werden.
Die Verwendung von Seitenketten und chemischen Dopantien, die sowohl elektronisch reiche als auch arme Eigenschaften aufweisen, spielt eine entscheidende Rolle bei der Feinabstimmung der Farbgebung und der Stabilität der Filme. Besonders bemerkenswert ist die Tatsache, dass die Einführung von Seitenketten die Kristallisation und die Absorptionseigenschaften der Filme signifikant beeinflusst, was die Qualität und Funktionsweise der Geräte weiter optimieren kann. Diese Art der strukturellen Modifikation ermöglicht nicht nur eine verbesserte Kontrolle der Farbveränderungen, sondern trägt auch dazu bei, die Herstellung von großen, flexiblen Geräten zu erleichtern, die in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden können.
Ein innovativer Ansatz zur Steuerung der chromatischen Zustände von konjugierten Polymeren wurde kürzlich von Jonsson und Kollegen vorgeschlagen. Sie zeigten, dass die Filmstärke auf Nanoskala durch die Variierung der UV-Bestrahlungszeit während der Dampfphasenpolymerisation präzise gesteuert werden kann. Dies ermöglicht eine noch genauere Abstimmung der optischen Eigenschaften und könnte in Zukunft eine vielversprechende Methode für die Herstellung von elektrochromen Systemen und optischen Beschichtungen darstellen.
Ein besonders bemerkenswertes Beispiel für den Fortschritt in diesem Bereich ist das Multifunktionale Photovoltachromische Gerät (PVCD), das von einer Forschungsgruppe im Jahr 2018 entwickelt und patentiert wurde. Dieses Gerät kombiniert elektrochrome und photovoltaische Funktionen in einem einzigen Bauelement, indem es ein MIEC-Material verwendet, das sowohl ionische als auch elektronische Ladungsträger transportieren kann. Durch diese Kombination wird es möglich, die Vorteile der Elektrochromie für die Solarenergieumwandlung sowie für die Steuerung der Wärmeerzeugung und des künstlichen Lichts zu nutzen. Die innovative Einfachheit der Struktur ermöglicht die Integration dieser Technologie in verschiedene Substratarten, einschließlich flexibler und plastischer Materialien, und ist hochkompatibel mit gängigen Herstellungstechniken.
Der Einfluss von MIEC-Materialien auf die Entwicklung neuer Geräte geht weit über die elektromechanischen Anwendungen hinaus. Mit der zunehmenden Erforschung und dem Verständnis der grundlegenden Mechanismen in diesen Materialien wird es möglich, Geräte mit bisher unvorstellbaren Funktionen zu entwickeln, die in Bereichen wie der intelligenten Beleuchtung, der Wärme- und Energierückgewinnung sowie der sensorischen Elektronik von morgen eine zentrale Rolle spielen werden.
Wie beeinflussen Struktur und Morphologie von Materialien die Leistung von elektrochromen Systemen?
Die Fortschritte im Bereich der elektrochromen Materialien, insbesondere im Hinblick auf die Farbwechselgeschwindigkeit, das Verhalten der Farbstoffabsorption und die Reaktionszeiten, sind eng mit der Struktur und den molekularen Eigenschaften der verwendeten Materialien verknüpft. Eine der bemerkenswertesten Entwicklungen in dieser Richtung betrifft die Modifikationen des h′-WO3-Rahmens, der im Vergleich zum klassischen h-WO3 eine signifikant verbesserte Performance aufweist. Dies wurde durch das Vorhandensein zusätzlicher viergliedriger (WO6)4-Tunnel im h′-Phasenstruktur erklärt, die Protonen effizient aufnehmen und somit den Färbeprozess verstärken. Diese Tunnelstruktur erleichtert den schnellen Protonentransfer und die Diffusion innerhalb der Matrix, was zu einer schnelleren Farbwechselrate führt und die dynamische Steuerung der Farbeigenschaften optimiert.
Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die kristallographische Orientierung der Nanoplatten. Die Nanoplatten im h′-WO3 sind so ausgerichtet, dass sie eine optimale Zugänglichkeit zu den Protonenkanälen bieten, was bei den klassischen h-WO3-Nanorods nicht der Fall ist, da deren Kanäle nur an den Enden zugänglich sind. Dies führt zu längeren Diffusionswegen für die Protoneninsertion und somit zu einer geringeren Geschwindigkeit beim Einsetzen und Entfernen der Protonen, was das Wechselverhalten stark verlangsamt.
Die detaillierte Untersuchung der molekularen Anordnung und der strukturellen Eigenschaften von Materialien ist nicht nur von theoretischem Interesse, sondern auch von praktischer Bedeutung für die Entwicklung neuer elektrochromer Systeme. Solche Untersuchungen ermöglichen ein tieferes Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Materialstruktur und elektrochemischem Verhalten und legen so die Grundlage für die Optimierung der Leistung und Stabilität von elektrochromen Geräten. Insbesondere Materialien wie das h′-WO3 und ähnliche Verbindungen bieten großes Potenzial für die Integration in intelligente elektrochrome Systeme, die auch für Energiespeicherung oder -umwandlung genutzt werden können. Sie könnten damit in multifunktionalen Systemen von großer Bedeutung sein.
Ein ähnlicher Trend zeigt sich bei der Verwendung von NiOx-Nanoplatten in elektrochromen Systemen. In einer Untersuchung wurde die Beziehung zwischen der Morphologie der NiOx-Nanoplatten und deren elektrochemischem Verhalten durch verschiedene Analysemethoden, wie XRD und TEM, untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass die NiOx-Nanoplatten eine hervorragende Kristallinität aufwiesen und eine Orientierung entlang der (111)-Kristallebene zeigten. Diese Ausrichtung der Nanoplatten führt zu einer vorteilhaften Struktur, die eine schnelle Ladungsmodulation ermöglicht und die Leitfähigkeit von Löchern verbessert, was wiederum zu einer schnelleren Farbwechselgeschwindigkeit und einer höheren Farbstoffabsorption führt.
Die Elektrokontraste der NiOx-Nanoplatten, die in einer PC/LiClO4-Elektrolytmatrix verwendet wurden, betrugen etwa 63%, mit einer schnellen Umschaltgeschwindigkeit von 1,7 Sekunden für das Färben und 1,5 Sekunden für das Bleichen. Außerdem zeigten sie eine hohe Stabilität, mit nur minimalem Rückgang des optischen Kontrasts (ca. 5%) nach 1000 Zyklen. Diese Leistungsfähigkeit kann auf die erhöhte Anzahl von Ionenbindungssites, die kürzeren Transportwege für Ionen und Elektronen sowie die vorteilhafte Struktur zurückgeführt werden, die durch die orientierte Anordnung der Nanoplatten begünstigt wird. Im Vergleich zu NiOx-Filmen, die durch andere Methoden wie Magnetronsputtern oder elektrochemische Abscheidung hergestellt wurden, zeigten die kristallinen NiOx-Nanoplatten eine deutlich überlegene Leistung und Stabilität.
Zudem zeigte eine Untersuchung von Cai et al., dass die mikrostrukturellen Merkmale von WO3-Filmen einen erheblichen Einfluss auf die elektrochemische Aktivität und die Leistung von elektrochromen Geräten haben. Die Porosität von WO3-Filmen fördert eine schnellere Ausbreitung geladener Teilchen, was die elektrochemische Leistung verbessert. Dies unterstreicht die Bedeutung der Struktur-Morphologie-Performance-Korrelation für die Entwicklung neuer elektrochromer Materialien. Eine eingehende Untersuchung der lokalen elektrochemischen Eigenschaften und deren Verbindung mit der Struktur ermöglicht die genauere Festlegung von Designprinzipien, die zu einer besseren Leistung und Stabilität von elektrochromen Geräten führen.
In diesem Zusammenhang ist auch der Einsatz moderner Analysetechniken von entscheidender Bedeutung. Raman-Spektroskopie, zum Beispiel, hat sich als äußerst nützlich erwiesen, um die chemische Zusammensetzung und mikroskopische Struktur von hybriden anorganisch-organischen Materialien zu untersuchen. Diese Technik ermöglicht es, die Auswirkungen der Dotierung auf die elektrischen und strukturellen Eigenschaften von Materialien zu überwachen. Dabei können die Unterschiede in den Raman-Signalen zwischen den anorganischen und organischen Komponenten eines Materials untersucht werden, was tiefere Einblicke in die Wechselwirkungen und die Entstehung von Ladungsträgern gibt.
Zusätzlich wird die elektrische Messung durch J-V-Kurven und elektrochemische Analyse zunehmend bevorzugt, um die Ionen- und Elektronenleitfähigkeit in solchen Materialien zu bewerten. Hierbei ist es von besonderer Bedeutung, die Konzentrationen von Ionen (Anionen und Kationen) sowie elektronischen Spezies (Elektronen und Löcher) zu überwachen, da diese die Mobilität und die Leitfähigkeit des Materials maßgeblich beeinflussen. Ein moderates bis hohes Maß an Dotierung verbessert die Mobilität der Ladungsträger, was zu einer besseren Leistungsfähigkeit des elektrochromen Systems führt.