Thermochrome Materialien, die ihre Farbe als Reaktion auf Temperaturänderungen verändern, finden zunehmend Anwendung in der Entwicklung von „Smart Windows“ – Fenstern, die ihre optischen Eigenschaften in Abhängigkeit von äußeren Bedingungen dynamisch anpassen. Diese Fenstertechnologie, die nicht nur die Ästhetik von Gebäuden revolutioniert, sondern auch die Energieeffizienz verbessert, hat das Potenzial, den Energieverbrauch erheblich zu senken und gleichzeitig den Komfort der Bewohner zu steigern.
Das grundlegende Prinzip hinter thermochromen Materialien liegt in der Fähigkeit bestimmter Substanzen, ihre chemische Struktur bei Temperaturveränderungen zu ändern. Dies führt zu einer Veränderung ihrer optischen Eigenschaften – ein Prozess, der als Thermochromie bezeichnet wird. In der Praxis bedeutet dies, dass ein thermochromes Fenster beispielsweise bei steigender Außentemperatur seine Durchlässigkeit für Licht verringern kann, um die Innentemperatur des Raums zu stabilisieren. Diese Eigenschaft macht thermochrome Fenster zu einer vielversprechenden Lösung für Gebäude, die auf eine verbesserte Klimaanpassung angewiesen sind.
Ein bedeutender Fortschritt in diesem Bereich ist die Entwicklung von Polyurethan-Polymer-Komplexen, die mit N-Isopropylacrylamid (NIPAm) kombiniert werden, um Materialien zu schaffen, die ihre Farbe in Abhängigkeit von der Temperatur ändern. Diese Polymere bieten nicht nur die Möglichkeit, die Lichtdurchlässigkeit von Fenstern zu steuern, sondern sind auch von großer Bedeutung für den Schutz vor extremen Wetterbedingungen. Solche Materialien finden zunehmend Anwendung in der Bauindustrie, insbesondere in Fenstersystemen, die eine thermische Isolierung bieten und gleichzeitig den visuellen Komfort erhöhen.
Ein weiterer interessanter Bereich ist die Nutzung von hybriden Perowskitmaterialien. Diese Materialien haben eine bemerkenswerte Fähigkeit, ihre Farbe bei verschiedenen Temperaturen und Feuchtigkeitsgraden zu ändern. Derzeit wird intensiv an der Integration von Perowskiten in die Architektur gearbeitet, um sogenannte „intelligente Fenster“ zu schaffen, die nicht nur thermochromisch, sondern auch elektrochromisch sind. Das bedeutet, dass diese Fenster durch elektrische Impulse ihre Eigenschaften verändern können. Diese Entwicklungen könnten die Art und Weise, wie wir mit natürlichen Ressourcen umgehen, grundlegend verändern und eine neue Ära des energieeffizienten Bauens einleiten.
Ein faszinierendes Beispiel für den Einsatz solcher Materialien ist die Anwendung von Perowskit-Tinten, die es ermöglichen, thermochrome Filme in Fensterkonstruktionen zu integrieren. Diese Tinten bieten nicht nur eine hohe Flexibilität in der Anwendung, sondern auch eine bemerkenswerte Effizienz in der Anpassung der Lichtdurchlässigkeit bei unterschiedlichen klimatischen Bedingungen. Die Forschung in diesem Bereich konzentriert sich darauf, die Übergangstemperaturen der Fenster zu optimieren, sodass sie unter realistischen Umgebungsbedingungen effizienter arbeiten können.
Die Herausforderungen, die mit der Entwicklung und dem Einsatz dieser Technologien verbunden sind, sind nicht zu unterschätzen. Die Haltbarkeit der thermochromen und elektrochromen Materialien, die unter wechselnden klimatischen Bedingungen eingesetzt werden, stellt eine der größten Hürden dar. So ist es entscheidend, dass diese Materialien auch bei extremen Temperaturen und hoher Feuchtigkeit ihre Funktionalität bewahren. In den letzten Jahren wurden jedoch erhebliche Fortschritte bei der Verbesserung der Stabilität und der Lebensdauer solcher Materialien erzielt, was ihre breitere Anwendung in der Bauindustrie immer realistischer macht.
Ein weiterer entscheidender Aspekt ist die Integration dieser Technologien in bestehende Gebäude. Während neuere Bauprojekte von Anfang an von thermochromen Fenstern profitieren können, stellt die Nachrüstung bestehender Gebäude mit solchen Fenstersystemen eine größere Herausforderung dar. Hier sind innovative Lösungen gefragt, die es ermöglichen, die bestehenden Fenster durch dünne, flexible thermochrome Folien zu ersetzen, die ohne größere Umbauten angepasst werden können.
Neben der praktischen Anwendung in Fenstern bieten thermochrome Materialien auch spannende Möglichkeiten für die Entwicklung von „intelligenten“ Fassaden, die sich automatisch an die äußeren Bedingungen anpassen und so den Energieverbrauch weiter senken können. Dies könnte besonders in städtischen Umgebungen von Bedeutung sein, in denen der Bedarf an klimatisierter Luft und Heizung oft zu einem erheblichen Anstieg des Energieverbrauchs führt.
Zusätzlich zu den thermochromen Technologien spielt auch die Integration von Solarzellen in „intelligente Fenster“ eine Rolle. Solarzellen, die auf thermochromem Material basieren, könnten nicht nur für eine verbesserte Energienutzung innerhalb von Gebäuden sorgen, sondern auch für eine nachhaltigere Nutzung von Solarenergie. Durch die kontinuierliche Verbesserung dieser Technologien werden die Kosten für die Herstellung und Installation von thermochromen Fenstern und Fassaden stetig sinken, was ihre breite Anwendung in der Zukunft realistischer macht.
Es ist auch wichtig zu betonen, dass die Integration solcher Technologien nicht nur auf den Bereich der Gebäudetechnik beschränkt bleibt. Die Forschung zielt darauf ab, diese Materialien auch in anderen Bereichen einzusetzen, wie etwa in der Automobilindustrie, bei der Entwicklung von „smart glass“ für Autos oder sogar in tragbarer Elektronik. Die Vielfalt der Anwendungen, die thermochrome Materialien bieten, macht sie zu einem der spannendsten Forschungsfelder der modernen Materialwissenschaft.
Wie gemischte ionische und elektronische Leiter die Leistung von organischen Halbleitern verbessern
Die Entwicklung von Materialien, die sowohl ionische als auch elektronische Leitfähigkeit kombinieren, hat in den letzten Jahren signifikante Fortschritte gemacht. Eine bemerkenswerte Entdeckung in diesem Bereich ist die Verwendung von PEDOT:PSS in Kombination mit anderen hochleitfähigen Polymeren, wie etwa Nafion. Diese Verbindung hat sich als äußerst vielversprechend erwiesen, insbesondere in Anwendungen wie organischen Fotovoltaikanlagen und Transistoren. PEDOT:PSS, ein Polymer, das für seine ausgezeichneten elektronischen Eigenschaften bekannt ist, bildet bei der Mischung mit Nafion eine homogene Beschichtung, die die elektronische und ionische Leitfähigkeit miteinander vereint. Dabei wird das PEDOT:PSS so in eine wässrige Suspension eingebracht, dass es sich selbst organisiert und eine kontinuierliche Beschichtung um die verworrenen Nanofibrillen aus Cellulose (NFC) bildet, die in einer dreidimensionalen Anordnung miteinander verbunden sind.
Ein besonders interessantes Beispiel für die Anwendung solcher kompositen Materialien wurde 2011 von den Forschungsgruppen von N. S. Levis und M.S. Freund vorgestellt. Sie kombinierten PEDOT:PSS mit Nafion, einem Polymer, das für seine hervorragende ionische Leitfähigkeit und optische Transparenz bekannt ist. Nafion zeichnet sich durch eine molekulare Struktur aus, die ein hydrophobes Rückgrat aus Polytetrafluorethylen und hydrophile sulfonische Säuregruppen an den Seitenketten umfasst. Diese Struktur ähnelt der von PSS, was eine stabile, homogene und leistungsstarke Organische Misch-Ionen-Elektronen-Leiter (OMIECs) ermöglicht.
Das resultierende Material kann als selbstständige, wasserunlösliche, halbtransparente und mechanisch robuste Membran mit einer Dicke von etwa 40 Mikrometern hergestellt werden. Diese Membranen werden durch Tropfenauftragen von wässrigen Dispersionen von PEDOT:PSS und Nafion auf Glasoberflächen hergestellt, gefolgt von einer thermischen Behandlung bei 110 °C unter Vakuum. Die physikalischen Eigenschaften dieser Komposite sind bemerkenswert: Mit einer PEDOT:PSS-Konzentration von etwa 12% erreicht die Membran eine elektrische Leitfähigkeit von etwa 7,4 mS cm^−1 und eine signifikante Steigerung der ionischen Leitfähigkeit im Vergleich zu reinem Nafion. Diese Membranen weisen zudem eine höhere Beständigkeit gegenüber Feuchtigkeit, chemischen Substanzen und mechanischen Belastungen auf und verbessern so die Stabilität und Lebensdauer von elektronischen Geräten.
Die Einführung von Nafion in das PEDOT:PSS-Gemisch hat auch die Lochmobilität und die Arbeitseigenschaften des PEDOT:PSS verbessert. Dies führt zu einer besseren Spannungs- und Leistungskonversions-Effizienz (PCE) in organischen Solarzellen und Transistoren. Nafion schützt zudem vor Korrosion und Degradation der Elektroden, die bei herkömmlichem PEDOT:PSS durch seine hygroskopischen und sauren Eigenschaften häufig auftreten. Auch in Bezug auf die chemische Beständigkeit und die Herstellung von langlebigen elektronischen Bauteilen bieten diese Komposite erhebliche Vorteile.
Ein weiterer wichtiger Aspekt dieser Materialien ist die Verwendung kleiner organischer Moleküle, die ebenfalls gemischte Leitfähigkeiten aufweisen. Diese Moleküle zeichnen sich durch einfachere Synthese- und Reinigungstechniken aus und können durch Lösungsgießen oder Vakuumbeschichtungstechniken verarbeitet werden. Im Vergleich zu Polymeren bieten sie jedoch einige Herausforderungen in der Filmformung und molekularen Packung, da chemische Modifikationen während des Prozesses auftreten können. Dennoch zeigen diese kleinen Moleküle, insbesondere solche mit konjugierten aromatischen Ringen, exzellente Ladungsträgermobilitäten in Transistorschaltungen.
Die elektronischen Eigenschaften dieser kleinen Moleküle sind stark von der Molekülstruktur abhängig, insbesondere von den π-konjugierten Systemen, die für die elektronische Leitfähigkeit verantwortlich sind. Während des Filmschutzprozesses können diese Moleküle in verschiedenen Kristallstrukturen, wie z.B. gestaffelte Stapel oder Herringbone-Strukturen, organisiert werden. Die strukturelle Ordnung und die Orientierung der kristallinen Domänen sind entscheidend für die Effizienz der Ladungstransporteigenschaften. Die mikroskopischen Eigenschaften, wie etwa die Porosität der Filme und ihre Oberflächenbeschaffenheit, beeinflussen maßgeblich den Ionentransport. So führen Filme mit hydrophoben Oberflächen oder niedriger Porosität zu einer verminderten Ioneneinspritzung und -mobilität.
Auf der anderen Seite können die funktionellen Gruppen, wie Triethylen-Glycol-Ketten (TEG), die in p-Typ- oder n-Typ-Bausteine eingeführt werden, die ionische Leitfähigkeit verbessern und die gemischte Transportfähigkeit dieser Materialien steigern. Dies ist insbesondere in der Konfiguration der Organischen Ionen-Elektronen-Transistoren (OECT) von Bedeutung. Solche funktionalisierten Moleküle wie C60-Fullerene-TEG oder TEG-PTTP zeigen eine verbesserte OMIEC-Leistung im Vergleich zu ihren reinen elektronischen Leitern.
Ein wichtiger Aspekt bei der Verwendung von kleinen Molekülen in gemischten Leitungssystemen ist die Bildung von Blends oder Mischungen mit Polymeren. Diese Blends bieten nicht nur Vorteile in der Verarbeitbarkeit, sondern beeinflussen auch die Kristallisation und Polymorphie der kleinen Moleküle. Die Herstellung von dünnen Filmen über großflächige Bereiche wird durch Verfahren wie Tropfenabsetzen, Spin-Coating oder Tintenstrahldruck ermöglicht. Dabei ist jedoch zu beachten, dass diese Mischungen auch zu Phasentrennungen führen können, was die Mikrostruktur und damit die elektronischen Eigenschaften negativ beeinflussen kann.
Diese Entwicklungen bieten eine Vielzahl an Möglichkeiten für die Verbesserung der Leistungsfähigkeit und Stabilität von organischen elektronischen Geräten, die in der Zukunft eine Schlüsselrolle spielen könnten, insbesondere in Bereichen wie der Solarenergie, der Elektronik und der Sensorik.
Welche Fortschritte gab es bei elektrochromen Geräten mit Metallgittern und Nanodrahtstrukturen?
Die Weiterentwicklung von elektrochromen (EC) Geräten, insbesondere der Anwendung von Metallgittern und Nanodrähten (NWs), hat in den letzten Jahren bemerkenswerte Fortschritte gemacht. Besonders hervorzuheben sind die Arbeiten des Forschungsteams um Pooi See Lee an der Nanyang Technological University (2016), die entscheidende Verbesserungen bei der Stabilität und Effizienz von Elektroden erzielten. Die Einführung einer PEDOT:PSS-Schicht auf Silbergittern trug maßgeblich dazu bei, dass die Elektrodenschicht vor Sauerstoff und Feuchtigkeit geschützt wurde, was die elektrische Stabilität der Schicht erhöhte und Widerstandsänderungen auch nach zwei Monaten Luftlagerung bei 28 °C und 65 % relativer Luftfeuchtigkeit praktisch nicht mehr feststellbar waren. Diese Schicht trug nicht nur zur Stabilität bei, sondern auch zu einer verbesserten elektrochromen Reaktion, mit einer optischen Modulation von über 80% und schnellen Umschaltzeiten – 2,8 Sekunden für das Bleichen und 1,9 Sekunden für das Färben.
Eine der bemerkenswertesten Eigenschaften dieser hybriden Materialien ist ihre hohe Flexibilität und mechanische Stabilität, auch unter wiederholten Biegezyklen. Bei kompressiven Biegungstests zeigte sich nur eine geringe Abnahme der optischen Modulation von lediglich 7,5 % nach 1200 Zyklen, während bei Zugtests die Modulation um 20 % nach 800 Zyklen abnahm. Solche Fortschritte sind nicht nur technologisch bedeutend, sondern auch entscheidend für die zukünftige Entwicklung von flexiblen, langlebigen und tragbaren elektronischen Geräten.
Ein weiterer innovativer Ansatz wurde von der Gruppe um Lee (2016) vorgestellt, die Silber-Nanodrähte (Ag NWs) für die Herstellung transparenter Elektroden in elektrochromen Geräten nutzten. Diese Drähte, die durch feuchte chemische Verfahren preisgünstig hergestellt werden können, zeichnen sich durch hervorragende elektrische, optische und mechanische Eigenschaften aus. Sie bieten eine hohe Flexibilität und Widerstandsfähigkeit gegenüber Biege- und Deformationsbelastungen. Das Team zeigte, dass Ag NWs bei der Herstellung von Elektroden auf Plastiksubstraten eine hohe Transparenz (ca. 80 %) und eine verbesserte Leitfähigkeit mit Sheet-Widerständen im Bereich von 8–20 Ω sq−1 erreichen können.
Ein interessantes Phänomen, das bei der Verwendung von NWs auftritt, wurde von Bergin et al. (2013) untersucht. Sie stellten fest, dass die Transparenz eines NW-Netzwerks nicht zwangsläufig durch die Dicke der Nanodrähte verbessert wird, sondern linear vom Flächenabdeckungsgrad des Netzwerks abhängt. Dies ist ein bedeutender Hinweis darauf, dass bei der Optimierung der elektrochromen Eigenschaften nicht nur die Dimension der Drähte, sondern auch deren Verteilung auf dem Substrat eine wichtige Rolle spielt.
Es gibt jedoch auch Herausforderungen bei der Verwendung von Ag NWs in elektrochromen Geräten. Eine der größten Einschränkungen ist der hohe optische Haze-Faktor, also die diffuse Lichtstreuung, die insbesondere bei größeren Durchmessern der Drähte ausgeprägt ist. Diese Eigenschaft beeinträchtigt nicht nur die Transparenz, sondern führt auch zu einer Gelbverfärbung der Elektroden. Darüber hinaus neigen Ag NWs bei längerer Lichteinwirkung und Luftkontakt zu einer starken Oxidation, was zu einem erheblichen Abfall der elektrischen Leitfähigkeit führt. Studien zeigten, dass Ag NWs nach 60 Tagen Luftkontakt beginnen, sich in getrennte Nanopartikel zu zersetzen, was die Leitfähigkeit weiter verschlechtert. Diese Oxidation stellt ein bedeutendes Problem dar, da sie die elektrochemische Stabilität der Elektroden verringert, insbesondere wenn diese als Anode in elektrochromen Geräten eingesetzt werden.
Diese Probleme haben die Forschung in den letzten Jahren zu einer intensiven Untersuchung der Stabilität von Ag NWs und ihrer Behandlung geführt, um ihre Oxidation und den damit verbundenen Leistungsverlust zu verhindern. So wurden neue Beschichtungsverfahren entwickelt, die die Langlebigkeit und Stabilität dieser Nanodrähtestrukturen in elektrochromen Systemen erheblich verbessern können.
Ein vielversprechender Ansatz in dieser Richtung wurde von Lee und seinem Team vorgeschlagen, die Ag NWs auf hochtransparentem Nanopapier transferierten. Dieses Nanopapier besteht aus dünnen Nanocellulose-Schichten, die eine außergewöhnliche Flexibilität aufweisen und eine hervorragende Leistung bei wiederholtem Falten des Materials bieten. Die elektrochromen Geräte auf dieser Basis zeigten nach 200 Faltzyklen eine nahezu unveränderte optische Reaktion und behielten ihre hohe Leitfähigkeit bei.
Ein weiterer innovativer Schritt in der Entwicklung von flexiblen und dehnbaren elektrochromen Geräten wurde durch die Verwendung von Ag NW-Netzwerken, die in ein Polydimethylsiloxan (PDMS)-Elastomer eingebettet sind, erreicht. Diese Dehnungselektroden kombinierten die ausgezeichneten elektrochromen Eigenschaften mit einer hohen Dehnfähigkeit und Stabilität, was sie für tragbare Elektroniksysteme besonders geeignet macht.
Abgesehen von den mechanischen und chemischen Eigenschaften der Materialien ist es auch entscheidend, die Herstellungsverfahren zu berücksichtigen. Ein Ansatz, der in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen hat, ist die Verwendung von Spritzdrucktechniken, mit denen Ag NWs auf verschiedenen Substraten aufgebracht werden können. Diese Technik ermöglicht eine kostengünstige und effiziente Herstellung von flexiblen und transparenten Elektroden und bietet eine vielversprechende Lösung für die Massenproduktion von elektrochromen Geräten.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die fortschrittliche Forschung und Entwicklung von Ag NWs und anderen Metallgittern erhebliche Verbesserungen bei der Herstellung von elektrochromen Geräten ermöglicht hat. Es bleibt jedoch die Herausforderung, die Stabilität und das Verhalten dieser Materialien über längere Zeiträume hinweg zu optimieren, insbesondere in Bezug auf ihre Oxidationsbeständigkeit und ihre optischen Eigenschaften.
Wie die Kombination von Photoelektrochemischen und Photovoltaischen Geräten neue Möglichkeiten für intelligente Fenster eröffnet
Die Technologie der elektrochromen und photovoltaischen Geräte (PVCDs) hat in den letzten Jahren bemerkenswerte Fortschritte gemacht und bietet vielversprechende Lösungen für die Entwicklung intelligenter Fenster, die sowohl die Lichtdurchlässigkeit steuern als auch gleichzeitig elektrische Energie erzeugen können. Eine der innovativen Architekturen, die diese Entwicklung vorantreibt, ist die Kombination von elektrochromem (EC) Material und photovoltaischem (PV) Material in einem einzigen Gerät. Diese Technologie eröffnet neue Möglichkeiten in der Gebäudetechnik und darüber hinaus.
Ein bemerkenswerter Schritt wurde mit der Entwicklung eines neuen Geräteschemas (Typ II) gemacht, das von Hauch et al. vorgeschlagen wurde. In dieser Konfiguration wird die TiO2-Schicht, die die Photoaktivität übernimmt, zusammen mit dem elektrochromen Film direkt auf denselben Elektrodenfilm aufgebracht. Der TiO2-Schicht wird eine Farbstoffüberzugsschicht hinzugefügt, die Nanostrukturierungen aufweist und auf einer porösen WO3-Schicht aufgebracht wird. Die Gegenelektrode besteht aus einer dünnen Pt-Schicht. Der Raum zwischen den Elektroden ist typischerweise mit einem flüssigen Elektrolyt auf Basis von I−/I3−, das Li+-Ionen enthält, gefüllt. Bei Beleuchtung absorbieren die chemisch adsorbierten Farbstoffmoleküle Photonen und injizieren Elektronen in das Leitungsband von TiO2. Diese Elektronen diffundieren in die WO3-Schicht, während gleichzeitig Li+-Ionen in das WO3 interkalieren, was zu einer Änderung der Farbtransparenz führt – von transparent zu blau. Dieser Zustand bleibt erhalten, bis das Gerät kurzgeschlossen wird oder die Beleuchtung verringert wird, was die Regeneration des Elektrolyten bewirkt. In dieser Konfiguration wird der Bleaching-Prozess durch den Pt-Katalysator erheblich beschleunigt.
Ein weiterer wichtiger Fortschritt wurde von Georg et al. erzielt, die zum ersten Mal einen festen Elektrolyten in einem solchen Gerät verwendeten und damit die Möglichkeit der Photovoltaik-Nutzung (PV) innerhalb eines elektrochromen Systems aufzeigten. Auch wenn die Umwandlungseffizienz zu diesem Zeitpunkt noch relativ gering war (Z = 0.054%), zeigte diese neue Art von Gerät ein großes Potenzial. Diese Technik hat den Weg geebnet für die Entwicklung von voll festen elektrochromen Geräten, die auch auf flexiblen Substraten eingesetzt werden können und in denen leitfähige Polymere als alternative EC-Materialien verwendet werden. Bis heute stellt diese Konfiguration eine der effektivsten für die Realisierung von festen elektrochromen Geräten dar, die auf Farbstoff-sensibilisierten Solarzellen (DSSC) basieren.
Im Jahr 2009 brachte Wu et al. eine neue Geräteentwicklung auf den Markt: die photovoltaisch-elektrochromen Geräte (PVCDs). Diese Geräte zeichnen sich durch die Fähigkeit aus, überschüssige elektrische Energie zu erzeugen und bieten damit zusätzliche Vorteile im Vergleich zu den bisherigen elektrochromen Geräten (PECDs). Besonders hervorzuheben ist die Möglichkeit, die Funktionen PV und EC separat zu steuern. Die verschiedenen Funktionen eines PVCDs werden in der Regel durch ein Muster realisiert, bei dem die unterschiedlichen Funktionalitäten nebeneinander angeordnet sind. Im ersten Beispiel eines PVCD, das in der Literatur beschrieben wurde, wurde ein gemusterter WO3/Pt-Film und eine TiO2-Nanopartikel-Schicht als elektrochrome Elektrode und Photoanode verwendet. Das Gerät zeigte eine gute EC-Reaktion bei kurzer Färbungszeit (4 Sekunden) und einer relativ guten Effizienz (η = 0,50%).
Ein wichtiger Fortschritt bei der Entwicklung von PVCDs war die Verbesserung der Effizienz durch die Entwicklung eines Rahmendesigns. In dieser Anordnung wird der Photoelektrode aus TiO2-Farbstoff nur ein Teil des Geräts zugeordnet, der Rest des Geräts fungiert als Gegenelektrode, wobei WO3 als elektrochromes Kathodenmaterial aufgebracht wird. Dieser rahmenbasierte Aufbau hat den Vorteil, dass die PV- und EC-Funktionen voneinander entkoppelt und damit präzise gesteuert werden können. Das Ergebnis ist ein System, das sowohl eine hohe Transparenz als auch eine gute Effizienz in der Solarzellenumwandlung erreicht.
Es gibt auch Ansätze, bei denen die PV- und EC-Bereiche des Geräts elektrisch getrennt werden, um eine noch genauere Steuerung der jeweiligen Funktionen zu ermöglichen. Eine solche Entwicklung wurde 2012 von Leftheriotis et al. vorgestellt, die eine neue Gerätekonstruktion vorschlugen, bei der opakes TiO2 anstelle von transparentem TiO2 verwendet wurde, um die Effizienz der EC-Funktion zu verbessern. Diese Geräte zeigten trotz langsamerer Färbungsdynamik (ca. 3 Minuten) eine hohe Transmissionsrate und einen guten optischen Kontrast. Ein weiteres Beispiel für diese Trennung von PV und EC wurde 2010 von Cannavale et al. vorgestellt, die eine speziell gestaltete Gegenlektrode verwendeten. Diese neue Elektrodenschaltung ermöglichte eine genaue Steuerung der Transmissionsmodulation und verbesserte die Effizienz der PV-Zelle (η = 6,55%).
Diese Entwicklungen zeigen eindeutig, dass die Kombination von photovoltaischen und elektrochromen Technologien in einem einzigen Gerät die Effizienz und Flexibilität von intelligenten Fenstern enorm steigern kann. Insbesondere die Fähigkeit, die beiden Funktionen – Energieerzeugung und Lichtsteuerung – zu entkoppeln, eröffnet neue Anwendungsmöglichkeiten, etwa in der Architektur, wo neben der Energieerzeugung auch die Anpassung an unterschiedliche Lichtverhältnisse entscheidend ist.
Die Herausforderungen in der praktischen Umsetzung solcher Technologien liegen jedoch noch immer in der weiteren Verbesserung der Umwandlungseffizienz und der Färbungsgeschwindigkeit. Zudem müssen die Kosten für die Herstellung solcher Geräte weiter gesenkt werden, um ihre breite Anwendung im Bauwesen und anderen Bereichen zu ermöglichen. Doch die Fortschritte in der Materialwissenschaft und der Technologieentwicklung lassen erwarten, dass diese Geräte bald zu einer bedeutenden Rolle in der Zukunft der nachhaltigen Energieerzeugung und -nutzung spielen werden.
Wie die Skalierung von Perowskit-Solarzellen und smarten Fenstern vorangetrieben werden kann
Die Fertigung von Perowskit-Solarzellen und deren Integration in großflächige Anwendungen wie elektrochrome Fenster (EC) und photovoltaische Module steht vor einer Vielzahl von Herausforderungen. Die Effizienzsteigerung und die Senkung der Produktionskosten sind dabei von entscheidender Bedeutung, um eine breitere Markteinführung und industrielle Skalierung zu ermöglichen. Die Auswahl der geeigneten Beschichtungstechniken spielt dabei eine zentrale Rolle.
Eine vielversprechende Methode zur Herstellung von Perowskit-Schichten in großem Maßstab ist das Slot-Die-Coating, ein Verfahren, das sich für die präzise Beschichtung von Substraten eignet. Durch die Verwendung von Stickstoffquenching und einer gezielten Erwärmung des Substrats konnte die Morphologie der Perowskit-Schicht signifikant verbessert werden, was zu einer höheren Dichte der Schicht und einer gesteigerten Leistungsfähigkeit der Solarzellen führte. Dies zeigte sich in einem deutlich besseren Wirkungsgrad, der bei optimierten Trocknungsbedingungen Werte von bis zu 12,7% erreichte. Auch die Kombination von Gasquenching und einer Temperaturkontrolle bei 60°C führte zu einer signifikanten Verbesserung der Oberfläche und einer Steigerung des Wirkungsgrads im Vergleich zu bei Raumtemperatur hergestellten Schichten.
Das Slot-Die-Coating liefert nicht nur für kleinere Perowskit-Solarzellen hervorragende Ergebnisse, sondern zeigt auch vielversprechende Resultate bei der Herstellung größerer Module, mit einer Leistung von über 10% auf Substraten von bis zu 168,75 cm². Der Vorteil dieses Verfahrens liegt in der Möglichkeit, die Qualität der Schichten präzise zu steuern, was wiederum die Herstellung effizienter und kostengünstiger gestaltet. Zudem ermöglicht die Skalierbarkeit der Technik eine breite Anwendung für die industrielle Fertigung.
Ein weiterer vielversprechender Ansatz zur Herstellung von Perowskit-Solarzellen ist die Verdampfungstechnologie. Hierbei kommen Vakuumbeschichtungsverfahren wie PVD (Physical Vapor Deposition), CVD (Chemical Vapor Deposition) und ALD (Atomic Layer Deposition) zum Einsatz. Diese Verfahren bieten den Vorteil einer hohen Präzision und gleichmäßigen Schichtdicke, da die Ablagerung der Materialien unter kontrollierten Bedingungen erfolgt. Insbesondere bei der Herstellung von Methylammoniumblei-Iodid (MAPI)-Perowskit-Schichten zeigte sich, dass die Co-Evaporation von organischen und anorganischen Quellen eine hohe Dickengleichmäßigkeit der Schichten ermöglichte, was zu einer verbesserten Effizienz der Solarzellen führte. Die durch diese Verfahren erzielten Schichten wiesen nicht nur eine hohe Uniformität auf, sondern auch eine bemerkenswerte Stabilität und eine gleichmäßige Kristallstruktur.
Trotz der Vorteile, die Vakuumbeschichtungstechniken bieten, sind die höheren Produktionskosten ein limitierender Faktor. Die erforderliche Ausrüstung für die Vakuumbeschichtung ist teuer, und die Durchsatzrate ist langsamer als bei Lösungsmittel-basierten Verfahren wie dem Slot-Die-Coating. Dennoch bieten diese Verfahren hinsichtlich der Qualität und Stabilität der Schichten erhebliche Vorteile, die in der großflächigen Produktion von Perowskit-Solarzellen und deren Integration in funktionale Fenstertechnologien von großem Wert sind.
Eine weitere Herausforderung bei der Skalierung ist die Reduzierung des Energieverbrauchs und der Herstellungskosten der Technologien. Bei der Produktion von elektrochromen Fenstern und photovoltaischen Modulen müssen neben der Wahl der richtigen Beschichtungstechnik auch ökologische und sicherheitstechnische Aspekte berücksichtigt werden. Insbesondere der Einsatz grüner Lösungsmittel in der Materialvorbereitung und bei der Beschichtung ist von großer Bedeutung, um eine nachhaltige Produktion zu gewährleisten. Dabei müssen die Herstellungsmethoden idealerweise unter milden Bedingungen wie niedrigen Temperaturen und atmosphärischem Druck erfolgen, um eine kostengünstige und schnelle Herstellung in großem Maßstab zu ermöglichen.
Die Weiterentwicklung dieser Fertigungstechniken könnte einen entscheidenden Beitrag zur Zukunft der smarten Fenstertechnologien leisten. Besonders die Optimierung von Herstellungsprozessen, die auf niedrigen Energieverbrauch und umweltschonende Materialien setzen, könnte die Einführung von intelligenten Fenstern in industriellen Anwendungen beschleunigen und die damit verbundenen Kosten nachhaltig senken. Insbesondere für Anwendungen, bei denen eine hohe Flexibilität und Energieeffizienz erforderlich sind, wie etwa bei Gebäudeverglasungen und mobilen Anwendungen, könnte dies ein zukunftsträchtiger Ansatz sein.
Die Technologie der Perowskit-Solarzellen und der smarten Fenster hat das Potenzial, nicht nur die Effizienz der Energiegewinnung zu revolutionieren, sondern auch die Art und Weise, wie wir Gebäude und Infrastrukturen gestalten. Es ist jedoch entscheidend, dass die wissenschaftliche Gemeinschaft weiterhin an der Verbesserung der Herstellungsverfahren arbeitet, um sowohl die Kosten zu senken als auch die Leistung und die Lebensdauer der Produkte zu steigern.
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