Die Effizienz von elektrochromen Systemen wird von einer Vielzahl von Faktoren beeinflusst, die sowohl intrinsischer als auch extrinsischer Natur sind. Dazu zählen unter anderem die Materialwahl, die chemische Zusammensetzung der Elektrolyte und die physikalischen Eigenschaften der verwendeten Filme und Schichten. In den letzten Jahren hat die Forschung im Bereich der Elektrochromie enorme Fortschritte gemacht, insbesondere hinsichtlich der Entwicklung neuer, leistungsfähiger Materialien und innovativer Fertigungstechniken.

Die elektrochemische Beschichtung von Materialien, wie sie in elektrochromen Fenstersystemen verwendet wird, ermöglicht es, die Lichtdurchlässigkeit in Abhängigkeit von der elektrischen Spannung zu regulieren. Dies führt zu einer effektiven Anpassung der optischen Eigenschaften in Echtzeit. Besonders wichtig ist hierbei die Auswahl der richtigen Elektrodenmaterialien und die Präzision in der Steuerung der ionischen und elektronischen Leitfähigkeit, die direkt mit der Schaltgeschwindigkeit und der Energieeffizienz des Systems zusammenhängt. Einige Materialien, wie z. B. WO3 (Wolframtrioxid) und NiO (Nickeloxid), haben sich als besonders geeignet für die Herstellung von elektrochromen Fenstern erwiesen, da sie eine hohe Stabilität und gute elektrochromische Eigenschaften aufweisen.

Ein bedeutender Aspekt bei der Optimierung dieser Systeme ist die elektrochemische Analyse der verwendeten Materialien. Hierbei werden verschiedene Methoden wie die zyklische Voltammetrie (CV) und die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) angewendet, um das Verhalten der Materialien unter verschiedenen Bedingungen zu untersuchen. Diese Verfahren liefern wertvolle Informationen über die Leitfähigkeit, die Lade- und Entladezeiten sowie die Langzeitstabilität der Systeme. Es ist bekannt, dass die Lebensdauer elektrochromer Geräte stark von der Stabilität der verwendeten Materialien abhängt. Materialien, die imstande sind, ihre Eigenschaften über lange Zeiträume hinweg zu bewahren, sind für kommerzielle Anwendungen von entscheidender Bedeutung.

Ein weiterer relevanter Faktor ist der Einfluss von sogenannten "grünen" Technologien, die zunehmend in die Entwicklung elektrochromer Systeme integriert werden. Hierzu gehören umweltfreundliche Elektrolyte, die eine hohe Effizienz und geringe Umweltauswirkungen aufweisen. Der Einsatz solcher Materialien fördert nicht nur die Nachhaltigkeit, sondern kann auch die Energieeffizienz der Systeme weiter steigern. Diese Entwicklung ist besonders im Kontext von energieeffizienten Gebäuden und nachhaltigen städtischen Infrastrukturen von Bedeutung, da elektrochrome Fenster die Wärmeaufnahme regulieren und somit den Energieverbrauch für Heizung und Kühlung reduzieren können.

Die Herausforderung, elektrochrome Systeme für den Einsatz in verschiedenen Anwendungsbereichen zu optimieren, ist jedoch noch nicht abgeschlossen. Die Schaffung von flexiblen, dünnen und leicht zu integrierenden Geräten, die sowohl in Architektur als auch in tragbaren Technologien wie tragbaren Batterien oder selbstversorgenden Energieanlagen Anwendung finden, bleibt ein zentrales Forschungsziel. Insbesondere in der Entwicklung von transparenten Elektrochromen Batterien und flexiblen Elektrochromen Geräten gibt es noch erhebliches Potenzial für Verbesserungen in Bezug auf Performance und Integration.

Der Einfluss von Materialstrukturen auf die Performance elektrochromer Geräte ist ebenfalls von zentraler Bedeutung. Hierbei spielen die mikroskopischen Strukturen der Materialien, wie sie durch Techniken wie hochauflösende Elektronenmikroskopie und Rasterelektronenmikroskopie sichtbar gemacht werden können, eine wichtige Rolle. Die Materialstruktur beeinflusst nicht nur die Ionendiffusion und den Ladungstransport, sondern auch die Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Schichten und Elektroden. Die Entwicklung von Nanomaterialien und Hybridstrukturen, die die Eigenschaften von konventionellen Materialien verbessern, stellt eine vielversprechende Richtung dar.

Wichtig ist, dass bei der Betrachtung elektrochromer Systeme nicht nur auf die Effizienz der Lichtsteuerung geachtet wird, sondern auch auf die langfristige Leistungsfähigkeit und die potenziellen Anwendungsmöglichkeiten. Beispielsweise bieten hybride elektrochrome Systeme, die eine Kombination aus organischen und anorganischen Materialien verwenden, neue Perspektiven für die Optimierung von Kosten und Leistung. Diese Systeme könnten in naher Zukunft eine Schlüsseltechnologie für die Schaffung energieeffizienter Gebäude und intelligenter Infrastrukturen darstellen.

Darüber hinaus muss bei der Entwicklung dieser Technologien auch die Benutzerfreundlichkeit und das visuelle Erlebnis berücksichtigt werden. Ein elektrochromes System sollte nicht nur funktional und effizient sein, sondern auch ästhetisch ansprechend und für den Benutzer intuitiv in der Handhabung. Dies ist besonders relevant für die Architektur, in der elektrochrome Fenster nicht nur zur Energieeinsparung, sondern auch zur Verbesserung des visuellen Komforts und der Anpassungsfähigkeit des Innenraums verwendet werden.

Wie funktionieren elektrochrome Polymere und warum sind sie so vielversprechend?

Elektrochrome Polymere (ECPs) sind eine faszinierende Klasse von Materialien, die sich durch ihre Fähigkeit auszeichnen, ihre Farbe und optischen Eigenschaften durch Anlegen einer elektrischen Spannung zu verändern. Diese Polymere besitzen einen einzigartigen Mechanismus, bei dem durch elektrochemische Oxidation oder Reduktion Änderungen in ihrer elektronischen Struktur hervorgebracht werden. Die Entstehung von Ladungsträgern, Polaronen und Bipolaronen ist hierbei von zentraler Bedeutung. Diese geladenen Zustände sind maßgeblich für die Leitfähigkeit und optischen Übergänge der Polymere verantwortlich.

In oxidiertem Zustand, der oft mit einer Färbung einhergeht, ist die Absorptionsbande im Bereich von sichtbarem Licht bis nah-infrarot (NIR) – mittlerem Infrarot auf die Übergänge von Polaronen und Bipolaronen zurückzuführen. Im reduzierten Zustand hingegen, wenn das Polymere keine Farbe hat, ist die Hauptabsorption im UV–Vis-Bereich mit π–π* Übergängen verbunden. Grundsätzlich sind konjugierte Polymere (CPs) farblos, wenn die Bandlücke mehr als 3 eV beträgt, und sie erscheinen gefärbt bei einer geringeren Bandlücke, etwa 1,5 eV. In bestimmten Fällen sind elektrochrome Polymere jedoch sogar semitransparent und neutral gefärbt im leitfähigen Zustand.

Diese besonderen Eigenschaften machen ECPs zu einer ausgezeichneten Wahl für elektrochrome Anwendungen, wie sie zum Beispiel in Multifunktions-Optoelektronikgeräten verwendet werden. In solchen Anwendungen ermöglicht es das reversible Umschalten zwischen einem nahezu farblosen, gebleichten Zustand und einem farbigen Zustand. Dabei kann der Färbungsprozess sowohl kathodisch als auch anodisch sein. Im kathodischen Fall wird das Polymer farbig und absorbiert im sichtbaren Bereich, bevor es nach dem Dopieren wieder in den farblosen Zustand zurückkehrt. Im anodischen Fall dagegen erfolgt die Oxidation und das Polymer wechselt von einem neutralen, farblosen Zustand zu einem farbigen, stärker absorbierenden Zustand.

Ein besonders gut dokumentiertes elektrochromes Polymer ist PEDOT (Poly(3,4-ethylenedioxythiophen)). In seinem neutralen Zustand, mit einer Bandlücke von 1,6 eV, zeigt es exzellente elektrochrome Eigenschaften. PEDOT-Filme verändern ihre Farbe von einem himmelblauen Ton zu einem hochtransparenten Zustand, wenn sie elektrischen Strömen ausgesetzt werden. Die Anwendung höherer Spannungen verringert die Absorption im sichtbaren Bereich und führt gleichzeitig zu einer Zunahme der Polaron-Bande oberhalb von 900 nm, was mit seiner gedopten und leitfähigen Form zusammenhängt.

Um die Verarbeitbarkeit in Wasser zu verbessern, wird PEDOT häufig mit dem Polyelektrolyt Polystyrolsulfonat (PSS) kombiniert. Diese Mischung, bekannt als PEDOT:PSS, verbessert nicht nur die Stabilität und Verarbeitbarkeit des Polymers, sondern erleichtert auch die Herstellung homogener Filme auf verschiedenen Substraten wie Glas, Kunststoffen und Textilien. Diese Filme können mit verschiedenen Techniken wie Slot-Die-Beschichtung, Flexographie, Rotogravur und Inkjet-Druck aufgebracht werden. Für Anwendungen, bei denen eine hohe Viskosität und langsames Trocknen erforderlich sind, wie etwa beim Siebdruck, werden PEDOT:PSS-Dispersionen in hoch siedenden Lösungsmitteln wie Propandiol verwendet.

Die Eigenschaften von PEDOT:PSS, wie elektrische Leitfähigkeit oder mechanische Festigkeit, lassen sich durch Behandlung mit verschiedenen Lösungsmitteln wie Ethylenglykol (EG), Dimethylsulfoxid (DMSO), Säuren und Alkoholen modifizieren. Beispielsweise kann die Zugabe von Ethylenglykol die elektrische Leitfähigkeit von PEDOT:PSS erheblich verbessern und Werte erreichen, die mit denen von Indiumzinnoxid (ITO) vergleichbar sind. Weitere Verbesserungen in der Leitfähigkeit können durch die Einbeziehung von Nanomaterialien wie Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) oder Metallnanodrähten in die Polymermatrix erzielt werden.

Ein bedeutender Beitrag auf dem Gebiet der elektrochromen Polymere stammt von der Forschungsgruppe um Reynolds an der Georgia Tech (Atlanta, USA), die in den letzten Jahrzehnten eine Vielzahl neuartiger, auf Dioxythiophen (DOT) basierender Polymere entwickelt hat. Diese Polymere decken das gesamte sichtbare Farbspektrum im neutralen Zustand ab und wechseln in einen farblosen Zustand, wenn sie oxidiert werden. Besonders bemerkenswert ist die Fähigkeit dieser Polymere, durch Modifikation der Rückgratstruktur und der Seitenketten präzise die optischen Eigenschaften zu steuern. Durch die Anpassung der Spannung entlang des Rückgrats dieser Polymere wurden neue, faszinierende Blautöne und Magentatöne mit hohem elektrochromem Kontrast erreicht. Die blauen Töne, die mit niedrigen Bandlücken korrespondieren, wurden durch die Verwendung von (3,4-Ethylenedioxythiophen) EDOT-Inhalten erzielt, während die Magenta-Töne, die mit mittleren Bandlücken assoziiert sind, durch den Einsatz von acyclischem Dioxythiophen (AcDOT) und sterischer Behinderung erhalten wurden.

Die Bemühungen, umweltfreundliche, nachhaltige elektrochrome Polymere zu entwickeln, die aus einer Reihe unchlorierter, umweltfreundlicher Lösungsmittel verarbeitet werden können, haben ebenfalls bedeutende Fortschritte erzielt. Dazu gehört der Einsatz eines organisch löslichen Vorläufers mit abspaltbaren Seitenketten, der nach der Saponifikation Poly-Thiophen-Derivate bildet, die in Wasser löslich sind. Solche wasserbasierten Polymere bieten den Vorteil, dass sie umweltfreundlich sind und in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden können.

Die Forschung auf diesem Gebiet zeigt, dass die Entwicklung von elektrochromen Polymeren nicht nur die Leistungsfähigkeit der Materialien verbessert, sondern auch das Potenzial zur Schaffung neuer, umweltfreundlicher Herstellungsverfahren und Anwendungen bietet.

Was sind die Herausforderungen und Perspektiven bei der Herstellung von elektrochromen Fenstern und großen Photovoltaikmodulen?

Die Herstellung von elektrochromen Fenstern (EC-Fenstern) und großen Photovoltaikmodulen ist ein sich schnell entwickelndes Gebiet, das zahlreiche innovative Verfahren und Technologien umfasst. Diese Technologien bieten vielversprechende Möglichkeiten für die Integration von funktionalen Materialien in Glas und die Herstellung von Solarmodulen. Ein zentrales Konzept in dieser Entwicklung ist die Verwendung von beschichteten Folien, die nach Bedarf auf verschiedene Größen und Formen zugeschnitten werden können, um dann mit sogenannten "Busbars" verbunden zu werden. Die Busbars werden an einer beliebigen Position auf der beschichteten Folie angebracht, was eine flexible Anpassung der Technik ermöglicht.

Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass für beschichtetes Glas die Installation der Busbars bereits vor der Verarbeitung in einem Isolierglasverbund (IGU) erfolgen muss. Bei der Herstellung von elektrochromen Geräten, die durch Folienbeschichtungen erzeugt werden, kann der gesamte Prozess in einer Art von Fertigungslinie durchgeführt werden, die sich auf das Laminieren von Glas in Verbindung mit traditionellen Laminiermethoden, wie etwa der Verwendung von PVB oder EVA, stützt. Diese Flexibilität bei der Herstellung ermöglicht es, leichtere elektrochrome Geräte an einem separaten Standort zu produzieren, ohne dass die Glasverarbeitung an Ort und Stelle erfolgen muss. Dies führt zu einer erheblichen Änderung der Geschäftsmodelle für Folienbasierte und Glasbasierte EC-Geräte.

Ein interessantes Beispiel für diese Art der Technologie ist das EC-Glas, das in großen kommerziellen Gebäuden eingesetzt wird. Hier wurden EC-Folien zwischen großen Glasscheiben laminiert, wobei keine sichtbaren Mängel wie Trübungen oder andere Unregelmäßigkeiten festgestellt wurden. Die Farbveränderung im Glas, die in etwa zehn Minuten abgeschlossen war, ermöglicht es dem menschlichen Auge, sich schnell an die Veränderungen der Lichtverhältnisse anzupassen. Diese Technologie zeigt, wie Folien-basierte EC-Systeme in der Praxis eingesetzt werden können, ohne dass die Optik oder Funktionalität des Fensters beeinträchtigt wird.

In der Welt der Photovoltaik (PV) haben sich neue, großflächige Herstellungsverfahren für die Herstellung von OPV- und Perowskit-Solarzellen herausgebildet. Besonders hervorzuheben sind hier Lösungsmethoden, bei denen gängige Druck- und Beschichtungstechniken genutzt werden, die sich für die roll-to-roll (R2R) Fertigung eignen. Die meisten PV-Zellen, die derzeit hergestellt werden, basieren auf Dünnschichttechnologien wie Spin-Beschichtung oder Sprühbeschichtung, wobei die industrielle Fertigung noch in den Kinderschuhen steckt. Diese Verfahren sind im Vergleich zu Labormethoden in Bezug auf Skalierbarkeit und Kosteneffizienz weitaus vorteilhafter. Das R2R-Verfahren ist dabei besonders vielversprechend, da es die Produktion von großen Flächen bei vergleichsweise hoher Geschwindigkeit ermöglicht.

Ein wichtiger Schritt in der Skalierung dieser Technologien ist die Verbesserung der Beschichtungstechniken für Perowskit-Filme. Dies umfasst unter anderem die Entwicklung von innovativen Tintenformulierungen, die auf unterschiedliche Viskositäten und Rheologien abgestimmt sind. Diese Filmmaterialien müssen mit großer Präzision und Geschwindigkeit aufgetragen werden, um die gewünschten elektrischen und optischen Eigenschaften zu erzielen. Eine der vielversprechendsten Techniken in diesem Bereich ist das Slot-Die-Coating, das sich gut für die Beschichtung großer Flächen eignet und bereits erfolgreich für die Herstellung von OPV-Modulen und kombinierten Geräten verwendet wird. Diese Methode hat sich als besonders effektiv erwiesen, da sie die Herausforderung bewältigt, mit unterschiedlichen Inkviskositäten umzugehen und eine gleichmäßige Schichtdicke über große Flächen hinweg zu gewährleisten.

Ein zentrales Problem bei der Skalierung von Herstellungstechnologien ist die Vermeidung von Defekten während des Beschichtungsprozesses. Besonders beim Slot-Die-Coating müssen genaue Parameter wie die Beschichtungsdichte, die Geschwindigkeit und der Abstand zwischen den Düsenköpfen und dem Substrat berücksichtigt werden. Fehler in der Ausführung können zu ungleichmäßigen Filmen oder einem sogenannten "Flooding" führen, bei dem Tinte in Bereichen akkumuliert wird, die nicht beschichtet werden sollen.

Ein weiteres bemerkenswertes Beispiel für die Entwicklung von großflächigen PV-Modulen zeigt sich in der Arbeit von Burkitt et al., die den R2R-Fertigungsprozess für P-I-N Perowskit-Solarzellen untersuchten. Sie konnten den gesamten Beschichtungsprozess in einer Inline-Fertigungslinie durchführen, wobei alle aktiven Schichten, mit Ausnahme der Elektroden, über das R2R-Slot-Die-Coating-Verfahren aufgebracht wurden. Durch die Entwicklung einer neuen Perowskit-Tintenformulierung konnte ein stabiler und effizienter Prozess geschaffen werden, der es ermöglichte, diese Zellen mit hoher Leistung zu produzieren. Dieser Fortschritt in der Fertigungstechnologie hat das Potenzial, die Produktionskosten für Solarmodule erheblich zu senken und deren Kommerzialisierung zu beschleunigen.

Für die Industrie bedeutet dies, dass die Entwicklung effizienter, skalierbarer Fertigungsprozesse nicht nur für die Herstellung von Perowskit-Solarzellen, sondern auch für elektrochrome Fenster und andere funktionale Glasprodukte von entscheidender Bedeutung ist. Die Weiterentwicklung und Optimierung von Beschichtungstechniken und Fertigungsprozessen kann den Weg für kostengünstigere, leistungsstärkere und nachhaltig produzierte Solartechnologien ebnen.

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