Gelatin-basierte Polymer-Elektrolyte gewinnen zunehmend an Bedeutung für elektrochrome Geräte, die eine breite Anwendung in Bereichen wie umweltfreundlichen Fenstersystemen und flexiblen Displays finden. Diese Elektrolyte zeichnen sich nicht nur durch ihre hervorragenden elektrochemischen Eigenschaften aus, sondern auch durch ihre umweltfreundliche Natur, was sie zu einer vielversprechenden Alternative zu herkömmlichen, auf synthetischen Polymeren basierenden Elektrolyten macht. Das Verständnis der strukturellen und funktionellen Eigenschaften von Gelatine als Elektrolytmaterial bietet wertvolle Einblicke in die Entwicklung nachhaltiger elektrochromer Systeme.

Gelatine, ein biopolymere Material, das hauptsächlich aus tierischen Quellen gewonnen wird, ist in der Lage, die notwendige Ionenleitfähigkeit zu bieten, die für elektrochrome Geräte erforderlich ist. Diese Ionenleitfähigkeit wird durch die spezifische chemische Struktur der Gelatine und die Interaktion mit den verschiedenen Dopingstoffen ermöglicht. Studien zeigen, dass das Hinzufügen von Triflat-Ionen (CF3SO3−) zu Gelatine-basierenden Elektrolyten deren elektrochimische Stabilität und Leitfähigkeit verbessert, was die Grundlage für den Einsatz in festkörperbasierten elektrochromen Geräten bildet.

Die Entwicklung von Gelatine-basierten Polymer-Elektrolyten hat auch zu Fortschritten in der Effizienz und Lebensdauer elektrochromer Geräte geführt. Es wurde gezeigt, dass die Wechselwirkungen zwischen Gelatine und verschiedenen Elektrolytlösungen die optischen und elektrischen Eigenschaften der Geräte erheblich verbessern. In einer Reihe von Experimenten wurde die Leistung von elektrochromen Geräten mit Gelatine als Elektrolyt untersucht, wobei positive Ergebnisse hinsichtlich der Zyklenstabilität und der optischen Kontraste erzielt wurden.

Des Weiteren eröffnen die umweltfreundlichen Eigenschaften von Gelatine neue Möglichkeiten für die Herstellung von nachhaltigen elektrochromen Geräten. Gelatine ist biologisch abbaubar und stellt somit eine grüne Alternative zu den in herkömmlichen Geräten verwendeten Materialien dar. Darüber hinaus können Gelatine-basierte Elektrolyte leicht modifiziert werden, um ihre Leistung in unterschiedlichen elektrochemischen Umgebungen zu optimieren, was ihre Anwendung in einer Vielzahl von Geräten und Systemen ermöglicht.

Die Suche nach weiteren Dopingstoffen, wie Samarium(III)-Triflat, hat gezeigt, dass die chemische Modifikation von Gelatine mit bestimmten Ionensalzen deren Leitfähigkeit und Stabilität weiter verbessern kann. Der Zusatz von Natrium- und Lithiumsalzen, etwa Lithiumtriflat (LiTFSI), hat in zahlreichen Studien zu einer bemerkenswerten Steigerung der Ionenleitfähigkeit geführt, was für die Schaffung effizienter elektrochromer Geräte von entscheidender Bedeutung ist.

Ein weiterer wichtiger Aspekt, der bei der Entwicklung von Gelatine-basierten Elektrolyten berücksichtigt werden muss, ist die Optimierung der Verarbeitungstechniken. Die Herstellung von festen Gelatine-Elektrolyten erfordert präzise Temperatur- und Feuchtigkeitskontrollen, da Gelatine empfindlich auf Umweltbedingungen reagiert. Fortschritte in der Dünnschichttechnologie haben jedoch dazu beigetragen, die Herstellung von Gelatine-basierten Elektrolyten bei Raumtemperatur zu ermöglichen, was die Komplexität und die Kosten der Geräteproduktion erheblich reduziert.

Nicht nur die chemischen Eigenschaften von Gelatine sind von Interesse, sondern auch die mechanischen und physikalischen Eigenschaften, die für flexible, tragbare elektrochrome Geräte erforderlich sind. Flexibilität und Biegsamkeit der Gelatine-Elektrolyte machen sie zu einer attraktiven Wahl für den Einsatz in flexiblen Displays und smarten Fenstern, die in der modernen Architektur und in tragbaren Geräten immer beliebter werden. Die mechanischen Eigenschaften dieser Materialien, wie z.B. die Fähigkeit zur Dehnung und Heilung, sind ebenfalls von Bedeutung, um die Lebensdauer und die Anpassungsfähigkeit der Geräte zu verbessern.

Neben den Fortschritten in der Elektrolytentwicklung spielen auch neue Erkenntnisse über die verwendeten Elektrodenmaterialien eine Rolle. Die Wahl der Elektroden hat direkten Einfluss auf die Leistung des gesamten elektrochromen Systems. Materialien wie Tantal-Oxid (Ta2O5) und Wolfram-Oxid (WO3) werden häufig in elektrochromen Geräten verwendet, und ihre Integration mit Gelatine-basierten Elektrolyten führt zu verbesserten Reaktionsgeschwindigkeiten und einem besseren optischen Kontrast.

Die Forschung auf diesem Gebiet ist noch lange nicht abgeschlossen. Die kontinuierliche Verbesserung der Materialkombinationen und Fertigungstechniken wird entscheidend sein, um die Leistung und Nachhaltigkeit elektrochromer Geräte weiter zu steigern. Es bleibt abzuwarten, inwieweit Gelatine-basierte Elektrolyte in kommerziellen Anwendungen Einzug halten, da es noch einige Herausforderungen in Bezug auf die Langzeitstabilität und die Skalierbarkeit der Herstellung gibt. Doch die Fortschritte in der Entwicklung solcher Materialien zeigen, dass gelatinebasierte Polymer-Elektrolyte in naher Zukunft eine wichtige Rolle in der nächsten Generation von flexiblen, nachhaltigen elektrochromen Geräten spielen werden.

Wie können elektrochrome Geräte mit integrierten Funktionen die Energieeffizienz und Nachhaltigkeit von modernen Gebäuden und Fahrzeugen steigern?

In den letzten Jahren wurden zahlreiche Versuche unternommen, neue und faszinierende multifunktionale elektrochrome (EC) Geräte zu entwickeln, indem die EC-Zelle mit anderen optoelektronischen Einheiten kombiniert wurde, wie beispielsweise photovoltaischen (PV) oder elektrolumineszenten Komponenten. Ein vielversprechendes Konzept stellt das selbstversorgte EC-Gerät dar, bei dem die benötigte elektrische Energie für die Farbstoffänderung, die eine verstellbare Transparenzverglasung und thermische Energiegewinne ermöglicht, durch verschiedene Energiequellen wie PV-Zellen, triboelektrische Nanogeneratoren (TENGs) oder piezoelektrische Nanogeneratoren (PZNGs) erzeugt wird. Diese innovativen, grünen und nachhaltigen multifunktionalen Geräte bieten die Möglichkeit, die EC-Antwort mit Hilfe von erneuerbaren Energiequellen zu erzielen, was sie besonders attraktiv für umweltfreundliche Anwendungen macht.

Die Herausforderung bei der Entwicklung dieser Geräte liegt jedoch darin, die verschiedenen funktionalen Anforderungen miteinander zu kombinieren. Derzeit erfordert die Integration von EC- und Kapazitätsfunktionen in ein vollständig selbstversorgtes EC-Gerät weiterhin umfassende Anstrengungen, sowohl in der Produktion als auch in der Kommerzialisierung. Eine vielversprechende Möglichkeit, diese Herausforderung zu bewältigen, besteht darin, die benötigte Elektrizität für die Aktivierung der EC-Funktion durch selbst gespeicherte Energie bereitzustellen, also durch die Restenergie, die beim Schalten der EC-Zelle erzeugt wird. Die Integration von EC und einer weiteren Funktionalität auf einer einzigen Plattform, wie sie beispielsweise bei den neuartigen EC-OLED-Geräten zu finden ist, könnte eine Lösung darstellen, bei der die Steuerung der optischen Transparenz mit der OLED-Beleuchtung kombiniert wird. Diese Geräte stellen eine neue Generation von "intelligenten Fenstern" und transparenten Displays dar und finden Anwendung in Bereichen wie Augmented Reality, Beleuchtungspaneelen und intelligenten Brillen.

Die effektive Integration solcher multifunktionalen Eigenschaften in einem einzigen Gerät bleibt jedoch eine bedeutende Herausforderung, die durch mehrere miteinander verbundene Faktoren beeinflusst wird. Hierzu gehören die Entwicklung neuer Architekturen, die auf leistungsstarken und langlebigen Festkörperezellen basieren, die Auswahl geeigneter Materialien, umfassende optische Modellierungen, Langzeitstabilitätsanalysen und die Entwicklung von Fertigungsmethoden, die mit einer großtechnischen Produktion kompatibel sind. Bei der Gestaltung eines neuen multifunktionalen Geräts oder der Implementierung eines bestehenden Geräts müssen daher mehrere kritische Faktoren berücksichtigt werden.

Im Wesentlichen kann die Integration einer EC-Zelle mit einer anderen optoelektronischen, elektrochemischen oder elektronischen Einheit je nach verwendeten Materialien und der Gerätearchitektur in vier Hauptkonfigurationen realisiert werden. Die erste ist eine circuit-connected multicell (CCM)-Konfiguration, bei der die EC-Zelle und andere elektronische Komponenten extern über einen elektrischen Stromkreis verbunden werden. Eine weitere Variante ist die tandem cell with multilayered (TML)-Konfiguration, bei der die Gegen-Elektrode der EC-Zelle zwischen zwei Halbzellen angeordnet ist, um als untere Elektrode für das andere Gerät zu fungieren. Eine dritte Möglichkeit ist die One-cell-Konfiguration mit einem Elektrolyt, das zwischen dem EC-Material und einem anderen funktionalen Material angeordnet wird. Schließlich gibt es auch Geräte, bei denen die Materialien von Natur aus mehrere Funktionen bieten (OOM), wie es bei einigen neuartigen EC-OLED-Displays der Fall ist.

Einer der faszinierendsten und vielversprechendsten Ansätze in der Entwicklung von selbstversorgten und autonomen Geräten ist die Kombination von photovoltaischen (PV) und elektrochromen (EC) Technologien, wie sie in Photoelectrochromic (PECD) und Photovoltachromic (PVCD) Geräten vorkommen. Diese Geräte haben das Potenzial, die Modulation des Tageslichts dynamisch anzupassen und gleichzeitig Energie aus Sonnenlicht zu ernten – ganz ohne externe Stromquelle. Diese Systeme sind von besonderem Interesse für die Gebäude- und Automobilindustrie, insbesondere für Anwendungen wie intelligente Fenster in architektonischen Verglasungen, Rückspiegel und Autogläser oder Fenster in der Luftfahrt. Trotz der unterschiedlichen Integrationsmethoden von PV und EC in den jeweiligen Gerätearchitekturen bleibt das Design von multifunktionalen EC-Geräten mit PV-Integration eine komplexe technische Herausforderung.

Die Weiterentwicklung von PECDs und PVCDs ist ein kontinuierlicher Prozess, der durch Materialinnovationen und die Weiterentwicklung der Elektrolyt- und PV-Technologien maßgeblich beeinflusst wird. Die verschiedenen Gerätetypen, die entwickelt wurden, um PV und EC zu kombinieren, lassen sich grob in drei Typen unterteilen: Der getrennte Typ (Typ I), der kombinierte Typ (Typ II) und der unsymmetrische Typ (Typ III). Diese Typen zeichnen sich durch unterschiedliche Anordnungen der lichtempfindlichen und EC-Schichten sowie durch die Art der Materialabdeckung aus, die entweder vollständig oder teilweise über der EC-Schicht liegt. Die Pionierarbeit von Bechinger et al. zeigte erstmals die doppelte Funktionalität einer integrierten PV-EC-Zelle, bei der die durch die PV-Einheit erzeugten Elektronen entweder innerhalb des Geräts gespeichert oder als Energiequelle für die EC-Funktion genutzt werden können. Solche Geräte könnten in Zukunft eine wichtige Rolle in der Architektur und in der Automobilindustrie spielen, indem sie die Energieeffizienz steigern und gleichzeitig den Komfort für den Nutzer erhöhen.

Wichtig ist, dass die Entwicklung dieser Technologien nicht nur technische Herausforderungen wie die Optimierung der Materialkombination und der Gerätearchitektur umfasst, sondern auch den Aspekt der Langzeitstabilität und der Kompatibilität mit großflächigen Fertigungstechniken berücksichtigt. Die Produktionskosten sind ein weiterer wichtiger Faktor, der in der Forschung und Entwicklung berücksichtigt werden muss, um die breitere Markteinführung dieser innovativen Systeme zu ermöglichen.

Einfluss der Elektrolytart und Materialstrukturen auf die Elektrochromik: Chronoamperometrische Analyse

Die elektrochemischen Prozesse, die die Farbwechselmechanismen in elektrochromen (EC) Materialien steuern, sind komplex und werden von mehreren Faktoren beeinflusst. Insbesondere die Art des verwendeten Elektrolyts und die Materialstruktur der Elektroden haben einen entscheidenden Einfluss auf die Kinetik der Färbung und Entfärbung, die als elektrochromische Schaltzeiten bezeichnet werden. Die chronoamperometrische (CA) Methode ist eine wichtige elektrochemische Technik zur Analyse dieser Dynamik, da sie Einblicke in die Ionen-Diffusionsprozesse und das Verhalten der Elektroden während des Farbwechsels liefert.

Ein zentrales Merkmal der elektrochromischen Reaktionen ist die asymmetrische Kinetik der Färbung und Entfärbung. Während der Färbung, bei der Ionen in das elektrochrome Material eingelagert werden, wird die Reaktion hauptsächlich durch die Eigenschaften an der Grenzfläche zwischen Elektrolyt und EC-Film bestimmt. Die Entfärbung, bei der Ionen aus dem Material entfernt werden, ist jedoch stärker von der Ionentransportgeschwindigkeit im Elektrolyten selbst abhängig. Diese unterschiedlichen Kinetiken zeigen sich in der Zeit, die für die vollständige Färbung und Entfärbung benötigt wird. Zum Beispiel wurde bei WO3-Nanopartikelfilmen eine Färbungszeit von 3,1 Sekunden und eine Entfärbungszeit von nur 0,9 Sekunden gemessen. Dieser Unterschied wurde auf die höhere elektrische Leitfähigkeit des reduzierten (gefärbten) Zustands von WO3 im Vergleich zum oxidierten (entfärbten) Zustand zurückgeführt.

Ein weiterer wichtiger Faktor für die Kinetik der Färbung und Entfärbung ist die Dicke des Films. Eine Erhöhung der Dicke des PEDOT:PSS-Films führt zu einer Zunahme der Ströme in der zyklischen Voltammetrie (CV) und einer Erhöhung der Kapazität des Films. Beispielsweise bewirkte eine Verdopplung der Dicke von 50 auf 500 nm eine Vergrößerung der Kapazität um den Faktor sechs. Diese Veränderungen können die Elektrochromik beeinflussen, indem sie die Effizienz und Geschwindigkeit des Farbwechselprozesses modifizieren.

Die Wahl des Elektrolyts hat ebenfalls einen erheblichen Einfluss auf die Reaktionsgeschwindigkeit. Flüssige Elektrolyte ermöglichen sehr schnelle Farbwechselprozesse bei niedrigen Ansteuerungsspannungen, während feste Elektrolyte in der Regel höhere Spannungen erfordern und langsamer reagieren. Dies liegt an der geringeren Ionenleitfähigkeit und den weniger günstigen Ladeübertragungsmechanismen an der Elektrolyt-Elektroden-Grenzfläche (EEI). In einem Vergleich von Flüssig- und Gel-Elektrolyten zeigte sich, dass Flüssigelektrolyte eine schnelle Schaltfähigkeit und eine geringe Spannung für den Farbwechsel ermöglichten, was sie ideal für die Untersuchung der Kinetik und elektrochemischen Eigenschaften von neuen EC-Materialien machte.

Die Umstellung auf feste Elektrolyte führt zu einer Reihe von Herausforderungen. So wurden bei der Verwendung eines Gel-Elektrolyten, der aus Lithiumsalzen und Polyethylenoxid (PEO) besteht, langsame Farbwechselzeiten von etwa 15 bis 20 Sekunden beobachtet. Nach 10.000 Lade-/Entladezyklen nahm die eingebrachte Ladungsdichte von 2,4 mC cm−2 auf 1,2 mC cm−2 ab, was mit einer Verlangsamung der Schaltzeiten einherging. Interessanterweise hatte das Gel-Elektrolyt auch eine strukturelle Funktion, indem es die Glas-Elektroden eines photovoltaischen Chromozyklusgeräts laminierte und so eine hohe optische Transparenz sowie gute mechanische Eigenschaften gewährleistete.

Ein weiteres Experiment zur Untersuchung von all-feststoff-basierten EC-Geräten zeigte, dass die Verwendung eines Nafion-Elektrolyts in Verbindung mit nanostrukturiertem WO3 die optische Modulation und den elektrischen Widerstand verbesserte. Diese Konfiguration hatte jedoch den Nachteil, dass hohe Ansteuerungsspannungen erforderlich waren, um eine vollständige Färbung zu erreichen, und die Reaktionszeit betrug etwa 90 Sekunden. Solche Geräte litten häufig unter langsamen Kinetiken und einer schlechten Ladungstransportfähigkeit an der Elektrolyt-Elektroden-Grenzfläche.

Diese Ergebnisse verdeutlichen die Bedeutung der Materialstruktur und der Wahl des Elektrolyts bei der Gestaltung von EC-Geräten. Die Optimierung der Grenzflächen und die Anpassung der Elektrolyte sind entscheidend, um die Leistung von EC-Systemen zu verbessern und schnellere Schaltzeiten bei niedrigen Betriebsspannungen zu erreichen. Es ist zu beachten, dass jedes elektrochrome Material und jeder Elektrodentyp seine eigenen Herausforderungen und Vorteile in Bezug auf die Kinetik und das elektrochemische Verhalten hat, was die Notwendigkeit unterstreicht, maßgeschneiderte Lösungen für verschiedene Anwendungen zu entwickeln.

Wie lässt sich die Ionentransportfähigkeit in PEDOT:PSS-Filmen optimieren?

Die Optimierung der Ionentransportfähigkeit in PEDOT:PSS-Filmen ist ein wesentlicher Schritt, um die Leistung von Geräten zu verbessern, die auf Mischleitertechnologien basieren. Ein innovativer Ansatz zur Verbesserung der Wasseraufnahme und damit der Ionenmobilität in diesen Polymeren besteht in der Verwendung von Vernetzungsmitteln wie 3-Glycidoxypropyltrimethoxysilan (GOPS). Durch diese Vernetzung wird die Quellung des Films erheblich reduziert, was zu einer Senkung der Ionenmobilität um den Faktor 10 führt. Diese Veränderung ist entscheidend, da sie die elektrischen Eigenschaften der Filme beeinflusst und die Leistung in elektronischen und elektrochemischen Anwendungen steigert.

Die Einführung des Vernetzers bewirkt eine Reduzierung der Quellung des Films auf 35%, was den Ionentransport innerhalb des Films verringert. In der Praxis führt diese Änderung zu einer signifikanten Verringerung der elektrischen Leitfähigkeit des trockenen Films um 45%. Dies bedeutet, dass die Ionen im Polymerfilm langsamer mobilisiert werden, was eine Herausforderung darstellt, jedoch auch Vorteile für spezifische Anwendungen bietet, in denen eine reduzierte Ionenbewegung erforderlich ist. Die Reduzierung der Mobilität kann beispielsweise die Stabilität von Geräten erhöhen, indem sie die Degradation durch die kontinuierliche Bewegung von Ionen im Material verhindert.

Die experimentellen Modelle, die die Strömungsdichte und die Ioneninjektionsdichte (P) in den Filmen beschreiben, spielen eine Schlüsselrolle bei der Interpretation des Verhaltens dieser Materialien. Die Annahme, dass die injizierten Kationen die Sulfonatanionen im Film ausgleichen, ist von zentraler Bedeutung. Die Modellanpassungen zeigen, dass Filme mit und ohne Vernetzer unterschiedliche Ionendichten (P) aufweisen, wobei für Filme mit Vernetzer eine Dichte von 5,9 × 10²⁰ cm⁻³ und für unvernetzte Filme eine Dichte von 3,2 × 10²⁰ cm⁻³ gemessen wurde.

Ein weiterer wichtiger Aspekt des Modells ist die Schätzung der Lochmobilität im PEDOT:PSS-Film. Hierbei wird davon ausgegangen, dass die Lochdichte der Sulfonatanionendichte entspricht, die wiederum der injizierten Iondichte gleich ist. Die gewonnenen Werte für die Lochmobilität waren mit 0,06 cm² V⁻¹ s⁻¹ für sowohl die unveränderten als auch die vernetzten Filme signifikant höher als die Werte für die K+-Mobilität, was die Annahme stützt, dass die Leitfähigkeit des dedopierten Teils des Films geringer ist als die des dopierten Teils.

Um die Leistungsfähigkeit dieser Materialien weiter zu evaluieren, wurden verschiedene Experimentieranordnungen zur Untersuchung von Mischleiterverhalten durchgeführt, wobei die Wechselwirkungen zwischen PEDOT:PSS und weiteren Ionenmaterialien untersucht wurden. Besonders interessant sind hier die Experimente, die auf die Verwendung von PEDOT:PSS in Kombination mit Perfluorosulfonat-Ionomeren abzielen, da sie eine verbesserte Ionentransportfähigkeit aufweisen. In diesen Mischmaterialien wurden bei verschiedenen Konzentrationen des KCl-Elektrolyten Ionentransportwerte von bis zu 9,1 × 10⁻³ cm² V⁻¹ s⁻¹ gemessen, was im Vergleich zu reinem PEDOT:PSS eine signifikante Steigerung darstellt.

Ein besonders bemerkenswerter Punkt bei diesen neuartigen Hybridmaterialien ist die Reaktion auf wiederholte Doping-/Dedoping-Zyklen, die zu einer Verschiebung in der Ionentransportcharakteristik führen. Die Linearität der Driftlängenentwicklung zeigte bei kürzeren Zeiten ein regelmäßiges Verhalten, während bei längeren Zyklen deutliche Abweichungen auftraten. Dies deutet darauf hin, dass die Stabilität und Langzeitperformance dieser Materialien in praktischen Anwendungen weiter untersucht werden muss, insbesondere in Bezug auf die Wechselwirkungen zwischen den Polymerschichten, den Elektrolytkonzentrationen und der Filmhydration.

Ein weiteres Forschungsgebiet, das intensiv untersucht wird, ist die Integration von Mischleitermaterialien in die Architektur von Geräten wie photoelektrochromen und photovoltaischen Fenstern. Die Möglichkeit, Multifunktionsmaterialien in einer einzelnen Schicht zu integrieren, könnte das Paradigma der Gerätearchitektur revolutionieren, indem sie den Bedarf an komplexeren und teureren doppelseitigen Strukturen überwindet. Dies würde den Herstellungsprozess erheblich vereinfachen und gleichzeitig die Effizienz und Stabilität der Geräte verbessern. Die Entwicklungen in diesem Bereich zeigen vielversprechende Fortschritte für zukünftige Technologien, insbesondere für energieerzeugende und lichtmodulierende Fenster, die die thermische und optische Strahlung kontrollieren können.

Für die Zukunft dieser Technologien ist es entscheidend, dass eine detaillierte Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Materialzusammensetzung und Ionentransport durchgeführt wird. Diese Forschung könnte wichtige Einblicke in die Mechanismen des Ionentransports liefern und aufzeigen, wie die Materialgestaltung die Leitfähigkeit und Stabilität der Filme langfristig beeinflusst.

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