In der Entwicklung elektrochromer Materialien hat sich Wolframtrioxid (WO3) als eines der vielversprechendsten Oxide erwiesen, insbesondere in Form von Nanostrukturen, die zur Steuerung der Lichtdurchlässigkeit und der Farbumschaltung in optischen Geräten verwendet werden. Bei der Herstellung solcher Materialien spielen die Wahl der Nanostruktur und der verwendeten Synthesetechniken eine entscheidende Rolle. Verschiedene Ansätze zur Gestaltung von WO3-Nanostrukturen haben zu signifikanten Verbesserungen in der elektrochromen Leistung geführt, und zahlreiche neue Entwicklungen tragen zur Verfeinerung dieser Technologien bei.

Ein bedeutender Fortschritt wurde durch die Synthese von hochporösen WO3-Nanorod-Filmen ohne Zugabe von Ammoniumsulfat erzielt. Diese Nanodrahtstrukturen zeigten eine erhebliche Verbesserung der optischen Modulation, der Schaltzeiten und der Färbeeigenschaften. Li et al. demonstrierten, dass hexagonale WO3-Nanodrähte direkt auf eine Glasoberfläche aus Fluor-dotiertem Zinnoxid (FTO) aufgebracht werden können, ohne eine WO3-Saatzellschicht. Diese einfache Methode führte zu einem besseren optischen Kontrast, einer höheren Färbeeigenschaft und einer besseren Zyklusstabilität im Vergleich zu WO3-Filmen, die mit einer Saatzellschicht hergestellt wurden. Solche Fortschritte in der Synthesetechnik, insbesondere durch kolloidale nasschemische Verfahren, haben es ermöglicht, WO3-Nanostrukturen zu entwickeln, die eine präzise Steuerung der Kristallstruktur und der geometrischen Parameter ermöglichen.

Ein besonders innovativer Ansatz ist die Verwendung von bifunktionalen WO3-Nanorod-Arrays, die sowohl amorphe als auch kristalline Eigenschaften kombinieren. Huo et al. entwickelten eine solche Struktur, bei der der Kern aus hexagonalen WO3-Nanodrähten besteht und die Schale aus amorphem WO3–x gefertigt ist. Diese Kombination verbesserte sowohl die elektrochrome als auch die pseudokapazitive Leistung erheblich. Das resultierende Material zeigte einen hohen optischen Kontrast (etwa 70%), schnelle Schaltzeiten und eine ausgezeichnete Kolorierungseffizienz von 101 cm² C–1. Darüber hinaus wiesen die pseudokapazitiven Eigenschaften eine hohe spezifische Kapazität und eine sehr gute Zyklenstabilität auf, was das Material zu einer vielversprechenden Option für Anwendungen mit wiederholtem Laden und Entladen macht.

Ein weiteres interessantes Konzept ist die Verwendung von WO3-Nanokristallen (Quantum Dots, QDs), die durch ihre geringe Größe besonders effiziente elektrochrome Eigenschaften aufweisen. WO3-QDs, die typischerweise nur 1,6 nm groß sind, zeigen eine bemerkenswerte Farbumschaltgeschwindigkeit und hohe Kolorierungseffizienz. Diese Nanokristalle werden oft mit einer hydrophilen und leitfähigen Schicht versehen, die die Ioneninfiltration und den Ladungstransfer verbessert. In einigen experimentellen Ansätzen wurde der Einsatz von Pyridin als Liganden für die Oberfläche der QDs getestet, was die Wasseraufnahmefähigkeit und die elektrochemische Stabilität des Materials signifikant erhöhte. Allerdings führten diese Systeme zu Stabilitätsproblemen aufgrund der Wasserlöslichkeit des Pyridins und der korrosiven Natur des Elektrolyten. In neueren Arbeiten konnte jedoch die Stabilität durch den Einsatz von Al3+-haltigen Elektrolyten erheblich verbessert werden. In Kombination mit diesem Elektrolyten zeigten die WO3-QDs eine bemerkenswerte Zyklenstabilität und eine lange Lebensdauer von über 10.000 Zyklen mit nur geringem Verlust der optischen Kontrastfähigkeit.

Ein weiterer Ansatz zur Verbesserung der Leistung von WO3-Nanostrukturen ist die Verwendung von Nanodrähten mit kontrollierten Formen, die eine bessere Zugänglichkeit für Li+-Ionen und eine verbesserte Adsorption auf der Oberfläche ermöglichen. Untersuchungen zu den elektrokapazitiven Eigenschaften von WO3-Nanorods zeigten, dass die Form des Materials, insbesondere ob es sich um colloidale oder geschnitzte Nanorods handelt, einen signifikanten Einfluss auf die Lade- und Entladeverhalten hat. So speichert der CNR-basierte WO3-Elektroden eine größere Gesamtmenge an Ladung, während SNR-basierte Strukturen einen stärkeren pseudokapazitiven Effekt aufweisen.

Die Wahl der richtigen Nanostruktur, die Gestaltung des Elektrodenmaterials und die Verbesserung der Stabilität von WO3-basierten Materialien sind also Schlüsselfaktoren für die Weiterentwicklung elektrochromer Technologien. Besonders in Hinblick auf die Anwendung in praktischen Geräten, wie etwa in der Herstellung von Schaltfenstern oder Farbanpassungsbeschichtungen, ist es entscheidend, dass diese Materialien nicht nur eine hohe Leistung bieten, sondern auch eine lange Lebensdauer und Stabilität gewährleisten.

Für die praktische Umsetzung ist es wichtig zu verstehen, dass nicht nur die Struktur und der Aufbau des Materials selbst entscheidend sind, sondern auch die Art des verwendeten Elektrolyten und die Interaktion zwischen Material und Elektrolyt eine wesentliche Rolle spielen. Zukünftige Forschungen werden sich daher weiterhin auf die Optimierung der Nanostrukturen, die Verbesserung der Zyklusstabilität und die Reduzierung von Materialverlusten konzentrieren müssen, um die Leistungsfähigkeit und die Langzeitstabilität dieser Technologien weiter zu steigern.

Wie werden intelligente Fenster mit R2R-Technologie hergestellt und optimiert?

Die Entwicklung von „intelligenten Fenstern“, die ihre optischen Eigenschaften in Abhängigkeit von elektrischen Signalen verändern können, ist eine der spannendsten Innovationen im Bereich der Bau- und Automatisierungstechnik. Diese Fenster haben das Potenzial, den Energieverbrauch in Gebäuden zu senken, indem sie die Menge an Sonnenlicht und Wärme, die durch das Glas dringt, dynamisch regulieren. Der Schlüssel zu dieser Technologie liegt in der Verwendung von elektrochromen (EC) Materialien, die sich unter Spannung farblich ändern, und der Entwicklung effizienter, großflächiger Fertigungstechniken, um die Herstellung kostengünstig und skalierbar zu machen. Eine der vielversprechendsten Methoden, um dies zu erreichen, ist die Roll-to-Roll (R2R)-Technologie, bei der kontinuierliche Schichten von Materialien auf flexibles Substrat aufgebracht werden, um großformatige elektrochrome Fenster zu produzieren.

Die R2R-Technologie ermöglicht eine effiziente Herstellung von großen, flexiblen elektrochromen Geräten, die für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet sind, von Fenstern bis hin zu Glasfassaden von Gebäuden. Dabei kommen verschiedene Materialien zum Einsatz, darunter Polymer-Elektrolyte wie PEDOT:PSS und PANI:PSS, die sowohl als elektrochrome Schichten als auch als Elektrodenschichten fungieren. Besonders hervorzuheben ist die Verwendung von Polymeren, die sich leicht in einer R2R-Anlage verarbeiten lassen, was die Herstellungskosten erheblich senken kann.

Ein bemerkenswerter Ansatz zur Lösung der Herausforderungen bei der Herstellung von großformatigen, flexiblen elektrochromen Geräten wurde von Park et al. beschrieben, die eine R2R-Technologie für die Herstellung von 50 × 50 cm² großen Fensterflächen entwickelten. In diesem Fall wurde die elektrochrome Schicht aus einer Kombination von PEDOT:PSS und PANI:PSS gebildet, wobei ein Polymer-Elektrolyt aus Acrylamid und Poly(ethylenglykol)diacrylat verwendet wurde. Diese Materialien erwiesen sich als besonders geeignet für den kontinuierlichen R2R-Beschichtungsprozess. Die Ergebnisse der Tests zeigten eine hervorragende Farbstabilität und eine gute zyklische Beständigkeit, wobei eine Farbwechseleffizienz von 1872,8 cm² C−1 (bei 600 nm) erreicht wurde. Die Leistung des Geräts war zudem energieeffizient, mit einem geringen Stromverbrauch von nur 102 μW cm−2 für das Färben und 11 μW cm−2 für das Bleichen.

Ein weiteres bemerkenswertes Beispiel für die Anwendung der R2R-Technologie in großflächigen elektrochromen Geräten wurde 2022 von Macher et al. am Fraunhofer-Institut vorgestellt. Sie entwickelten ein Festkörper-Elektrolyt auf Basis von Polyethylenglykol (PEO), das die Probleme der Volumenverringerung während UV-Nachbehandlungen in großen, festkörperbasierten elektrochromen Geräten adressiert. Dieses Polymer-Elektrolyt wurde von der kanadischen Firma Hydro-Quebec entwickelt und optimiert, um Schäden durch UV-Strahlung zu minimieren und gleichzeitig die Geräteleistung zu maximieren. In den entwickelten Geräten wurde eine modifizierte Version von PEDOT, PEDOT–(EthC6), verwendet, die in Kombination mit Prussian Blue (PB) eine ästhetisch ansprechende, königsblaue Färbung erzeugte, die im entbleichten Zustand nahezu farbneutral war. Diese Farbneutralität im entbleichten Zustand ist ein wichtiger Vorteil gegenüber anderen konjugierten Polymeren oder nicht modifiziertem PEDOT und macht die Technologie für industrielle Anwendungen besonders attraktiv.

Die Herstellung dieser großflächigen Geräte erfolgte durch einen maßgeschneiderten „Sheet-to-Sheet“ (S2S) Laminierungsprozess auf einem flexiblen PET–ITO-Substrat. Dabei wurden die elektrochromen Schichten und das Elektrolyt in einem mehrstufigen Prozess aufgetragen. Die Leistung der entwickelten Geräte zeigte nur eine geringe optische Abnahme von nur 4 %, wobei das Geräteverhalten an verschiedenen Messpunkten nahezu identisch war. Dies spricht für eine sehr gleichmäßige Leistung über die gesamte aktive Fläche des Geräts. Die Schaltzeiten für das Färben und Bleichen lagen bei etwa 45 Sekunden, was die praktischen Anwendungsmöglichkeiten der Technologie weiter verbessert.

Die Weiterentwicklung der R2R-Technologie für die Herstellung großflächiger elektrochromer Gläser hat nicht nur das Potenzial, den Energieverbrauch in Gebäuden zu senken, sondern auch die Architektur von Gebäuden selbst zu revolutionieren. Diese Fenster können als Teil eines intelligenten Gebäudemanagementsystems fungieren, um die Helligkeit und Temperatur in Innenräumen automatisch zu regulieren, was den Energiebedarf für Heizung und Kühlung erheblich reduziert. Besonders in großen Glasfassaden und Fenstern von Bürogebäuden oder Hotels, die oft den größten Teil des Energieverbrauchs ausmachen, könnte der Einsatz von elektrochromen Fenstern enorme Energieeinsparungen mit sich bringen.

Die Herstellung solcher großflächigen, flexiblen elektrochromen Fenster stellt jedoch weiterhin technische Herausforderungen dar, insbesondere in Bezug auf die Gleichmäßigkeit der Beschichtung und die Stabilität der Materialien über lange Zeiträume. Neben der Farbstabilität und der Energieeffizienz müssen diese Fenster auch bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen, wie extremen Temperaturen und Luftfeuchtigkeit, ihre Funktionalität bewahren. Die Entwicklung von langlebigen, robusten und kostengünstigen Materialien sowie von Fertigungstechniken, die eine gleichmäßige Beschichtung und hohe Produktionsgeschwindigkeiten ermöglichen, bleibt ein zentraler Forschungsbereich.

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