Wie fotoelektrochromische Geräte die Zukunft der Fenstertechnologie verändern könnten

Die Entwicklung von fotoelektrochromischen Geräten hat in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte gemacht. Diese Geräte nutzen das Prinzip der Lichtmodulation, um Fenster und Displays zu steuern, wobei die verwendeten Materialien und Technologien stetig verbessert werden. Dabei wird das Prinzip der elektrochromischen Reaktion genutzt, bei der die optischen Eigenschaften eines Materials durch Anlegen eines elektrischen Stroms verändert werden. Im Fall von fotoelektrochromischen Geräten wird diese Technologie mit photovoltaischen Zellen kombiniert, was die Grundlage für autonome, selbstbetriebenen Fenstersysteme bildet.

Ein weiteres bemerkenswertes Beispiel für die Integration von Photovoltaik und elektrochromischer Technologie ist das Konzept von flexiblen, transparenten Geräten, die nicht nur als Fenster dienen, sondern auch als Displays und intelligente Energiequellen. Solche Systeme könnten in der Architektur von Gebäuden implementiert werden, um sowohl die Energieeffizienz zu steigern als auch die Ästhetik und Funktionalität von Fensterflächen zu erweitern. In diesen Geräten spielt die Auswahl des richtigen Elektrolyts eine entscheidende Rolle. So haben Forscher wie Hauch et al. (2001) und Cannavale et al. (2011) gezeigt, dass die Wahl der Elektrolytmaterialien einen direkten Einfluss auf die Effizienz und Langlebigkeit der Geräte hat.

Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Entwicklung von elektrochromischen Fenstern ist die Geschwindigkeit, mit der diese ihre Transparenz ändern können. Je schneller dieser Prozess ist, desto nützlicher sind solche Fenster für Anwendungen wie Sonnenschutz und intelligente Gebäude. Die Schichtdicken der ZrO2-Elektrolyte, die in vielen dieser Geräte verwendet werden, sind ein entscheidender Faktor für die Geschwindigkeit und Stabilität der Lichtmodulation (Patel et al., 2014). Hier sind kontinuierliche Forschungen erforderlich, um eine ideale Balance zwischen Geschwindigkeit, Energieverbrauch und Langzeitstabilität zu finden.

Ein bemerkenswerter Trend in der Forschung ist die Entwicklung von Geräten, die mit minimalem Energieverbrauch auskommen. In diesen Geräten, wie sie von Bechinger und Gregg (1998) beschrieben wurden, ist es gelungen, elektrochromische Prozesse zu optimieren, sodass keine externe Energiequelle erforderlich ist. Diese Art von „selbstbetriebenen“ Systemen könnte in Zukunft nicht nur im privaten, sondern auch im kommerziellen und öffentlichen Sektor Anwendung finden. Die Herausforderung besteht darin, effiziente, kostengünstige Materialien zu finden, die gleichzeitig hohe Leistung und lange Lebensdauer gewährleisten.

Neben den grundlegenden elektrochromischen Eigenschaften müssen diese Systeme auch den Anforderungen der realen Welt standhalten. Temperaturwechsel, Feuchtigkeit und langfristige Nutzung stellen zusätzliche Herausforderungen dar, die es zu überwinden gilt, um die Technologie für den breiten Einsatz in Gebäuden und Fahrzeugen zu optimieren. Dabei ist es von entscheidender Bedeutung, dass die eingesetzten Materialien nicht nur die gewünschten optischen Eigenschaften bieten, sondern auch eine hohe Beständigkeit gegen Umwelteinflüsse aufweisen.

Die Weiterentwicklung dieser Technologien wird auch durch Fortschritte in der Materialwissenschaft vorangetrieben. Besonders vielversprechend sind hier neue hybride Elektrolytmaterialien, die in der Lage sind, die elektrochemische Leistung zu steigern, ohne die Flexibilität und Transparenz der Geräte zu beeinträchtigen. Zukünftige Forschungen werden sich voraussichtlich auf die Verbesserung dieser Materialkombinationen konzentrieren, um Geräte mit noch höherer Leistungsfähigkeit und Effizienz zu entwickeln.

Die Integration von hochentwickelten elektrochromischen Materialien und Photovoltaiktechnologie könnte also in der nahen Zukunft zu einer Revolution in der Fenster- und Displaytechnologie führen. Die Verbindung von Solarenergieerzeugung und dynamischer Lichtmodulation stellt eine nachhaltige und kosteneffiziente Lösung für die Gestaltung moderner Gebäude dar. Noch wichtiger ist jedoch die Tatsache, dass solche Technologien potenziell dazu beitragen können, den ökologischen Fußabdruck von Gebäuden und Fahrzeugen erheblich zu verringern, indem sie sowohl den Energieverbrauch als auch die Notwendigkeit für künstliche Klimatisierungssysteme senken.

Wie lassen sich elektrochromische Polymere für eine grüne Verarbeitung und verbesserte Stabilität optimieren?

Elektrochromische Polymere (ECPs) bieten aufgrund ihrer Fähigkeit, ihre optischen Eigenschaften unter elektrischer Anregung zu ändern, eine breite Palette von Anwendungsmöglichkeiten, von Smart-Glass-Technologien bis hin zu Displays und Sensoren. Der Hauptvorteil dieser Materialien liegt in ihrer Flexibilität, wobei die Farben je nach Anwendungsgebiet nach Belieben verändert werden können. Jedoch haben die meisten derzeit verfügbaren Materialien Einschränkungen hinsichtlich ihrer Prozessierbarkeit, Umweltfreundlichkeit und Stabilität.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Stabilität der Polymere. Während Polymere, die in wässrigen Medien verarbeitet werden, im Allgemeinen Vorteile hinsichtlich der umweltfreundlicheren Herstellung bieten, sind sie dennoch oft mit erheblichen Herausforderungen konfrontiert. Insbesondere die nachträgliche Trocknung der Filme, die zur Entfernung von Feuchtigkeit erforderlich ist, kann zu Materialabbau und Instabilität der Bauelemente führen. Dies erfordert zusätzliche Bearbeitungsschritte wie thermische Behandlungen, die wiederum die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Polymers beeinträchtigen können. Eine innovative Strategie, um diesen Problemen zu begegnen, wurde von Reynolds und Kollegen entwickelt, die eine Möglichkeit fanden, Polymere durch die Einführung von geeigneten Seitenketten in grüne Lösungsmittel zu lösen, was die Notwendigkeit für toxische Lösungsmittel umgeht.

Ein bemerkenswerter Fortschritt ist die Entwicklung von Polymere, die eine verbesserte Photostabilität aufweisen, was insbesondere für Anwendungen von Bedeutung ist, bei denen langfristige Stabilität unter verschiedenen Lichtbedingungen erforderlich ist. Ein Beispiel hierfür sind Poly(3,4-propylenedioxythiophen)-copolymeren, die nicht nur eine hohe elektrochromische Kontrastleistung aufweisen, sondern auch in der mittleren Infrarotregion eine stabile Leistung zeigen. Diese neuen Materialien bieten eine präzise Steuerung der Farbtöne und eine hervorragende Stabilität im elektrochromischen Prozess.

Polyanilin besitzt drei Hauptformen: die vollständig reduzierte Leucoemeraldin-Base (LB), die halboxidierte Emeraldine-Base (EB) und die vollständig oxidierte Pernigraniline-Base (PB). Während des Dopings – also der Protonierung der Imin-Gruppen – wird die EB-Form in die Emeraldine-Salzform (ES) umgewandelt, was die elektrische Leitfähigkeit erheblich steigert. Diese Redoxumschaltung ist mit spezifischen Farbveränderungen verbunden, die von Gelb über Grün bis Blau reichen. Besonders bemerkenswert ist, dass die PANI-Filme bei niedrigen Spannungen von 0,2 bis 1,0 V umschalten können, was sie für praktische Anwendungen besonders attraktiv macht.

Die Integration von Nanomaterialien in elektrochromische Polymere stellt einen vielversprechenden Weg dar, die Leistung und Lebensdauer dieser Materialien signifikant zu steigern. Besonders in Kombination mit innovativen Synthesemethoden, wie der funktionellen Oberflächenmodifikation von Nanostrukturen, kann die elektrochromische Leistung weiter optimiert werden. Diese Entwicklungen sind entscheidend für die nächste Generation von Anwendungen, die auf Elektrochromie angewiesen sind, von tragbaren Geräten bis hin zu energieeffizienten Gebäudetechnologien.

Wie wirken sich unterschiedliche Modelle der Ionenbewegung auf die Leitfähigkeit von Polymer-Elektrolyten aus?

Polymer-Elektrolyte (SPEs) sind für ihre Vielseitigkeit und ihre Fähigkeit zur Ionenleitung bekannt, was sie zu einer wichtigen Komponente in verschiedenen elektrochemischen Anwendungen, wie beispielsweise in Batterien und Brennstoffzellen, macht. Ein tiefgehendes Verständnis der Mechanismen, die die Ionenbewegung in diesen Materialien bestimmen, ist für die Weiterentwicklung und Optimierung von SPEs von entscheidender Bedeutung. Diese Mechanismen werden maßgeblich durch die Struktur und die thermischen Eigenschaften der Materialien beeinflusst.

In SPEs kann die Temperaturabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit durch drei grundlegende Modelle der Ionenleitung beschrieben werden: das Arrhenius-Modell, das VTF-Modell (von Vogel-Tammann-Fulcher) oder eine Kombination aus beiden. Das Arrhenius-Modell, das die Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit beschreibt, wird durch die Gleichung (4.2) ausgedrückt:

Hierbei steht $\sigma_0$ für den Vorfaktor, $E_a$ für die Aktivierungsenergie und $k$ für die Boltzmann-Konstante. Das Verhalten von Materialien, die diesem Modell folgen, zeigt eine lineare Variation der Leitfähigkeit mit der Temperatur. Typischerweise deutet dies darauf hin, dass der Ionentransport durch einen Hüpfeffekt erfolgt, bei dem Ionen zu den benachbarten freien Stellen springen, ähnlich wie in ionischen Kristallen. Einige Beispiele für Elektrolyte, die dieses Verhalten aufweisen, sind feststoffpolare Polymere wie Polyethylenglykol (PEO), die mit Lithiumsalzen wie LiClO4 oder KClO4 komplexiert sind.

Ein weiteres Modell zur Beschreibung des Ionentransports in Polymer-Elektrolyten ist das VTF-Modell, das typischerweise bei Gel-Polymer-Elektrolyten oberhalb der Glasübergangstemperatur (Tg) beobachtet wird. Es wird durch die Gleichung (4.3) beschrieben:

Besonders bei hybriden keramischen/polymerischen Systemen, bei denen anorganische Füllstoffe in die Polymermatrix eingebaut werden, ändert sich das Ionentransportverhalten erheblich. Zwei Haupttypen von Füllstoffen können verwendet werden: passive und aktive Füllstoffe. Passive Füllstoffe, wie Al2O3, SiO2, TiO2 oder ZnO, enthalten keine Lithium-Ionen und beeinflussen den Ionentransport indirekt, indem sie die Bildung von freien Lithium-Ionen begünstigen und die Bildung amorpher Bereiche im Polymermatrix fördern. Diese passive Verstärkung führt zu einer verbesserten Ionenbeweglichkeit an den Schnittstellen zwischen Polymer und Füllstoff, was wiederum zu einer höheren Gesamtleitfähigkeit führt.

Im Gegensatz dazu sind aktive Füllstoffe wie Li3N oder LiAlO2 direkt am Ionentransport beteiligt. Diese Füllstoffe beinhalten Lithium-Ionen in ihrer Struktur und ermöglichen durch ihre eigenen strukturellen Eigenschaften eine deutlich verbesserte Leitfähigkeit. In solchen Systemen spielen die aktiven Füllstoffe eine Schlüsselrolle, indem sie einen kontinuierlichen Ionenkanal bereitstellen und so den Transport von Lithium-Ionen durch das Polymermatrix verstärken.

Es ist auch wichtig zu beachten, dass die Größe, Form und Konzentration der keramischen Füllstoffe einen signifikanten Einfluss auf die Ionenleitfähigkeit haben. Zum Beispiel zeigen Systeme, die auf Polyacrylnitril (PAN) und keramischen Füllstoffen wie LLTO basieren, dass gut ausgerichtete LLTO-Nanodrähte eine wesentlich höhere Leitfähigkeit aufweisen als unregelmäßig ausgerichtete Füllstoffe. Dies unterstreicht die Bedeutung einer kontinuierlichen Ionenleitungsbahn für die Optimierung der Gesamtleitfähigkeit eines Systems.

Ein weiterer wichtiger Aspekt, der bei der Auswahl und Entwicklung von Polymer-Elektrolyten berücksichtigt werden sollte, ist die Balance zwischen der amorphen und kristallinen Struktur des Polymers. Ein höherer Anteil an amorphen Regionen fördert die Ionentransportfähigkeit, da die Polymerketten dort beweglicher sind. Daher können Strategien zur Verhinderung der Kristallisation oder zur gezielten Förderung amorpher Phasen den Ionentransport in SPEs erheblich verbessern.

Wie lässt sich die Leistung von ECOLED-Geräten optimieren und was macht sie besonders?

Die Entwicklung von ECOLED (Electrochromic Organic Light Emitting Diode)-Geräten basiert auf der innovativen Kombination von elektrochromen Zellen (EC) und organischen Leuchtdioden (OLED). Diese Geräte zeichnen sich durch ihre Fähigkeit aus, sowohl Lichtemission als auch optische Modulation durch elektrochemische Prozesse zu steuern. Besonders hervorzuheben ist die Photonik-Architektur, die so gestaltet wurde, dass die Transparenz und Lichtdurchlässigkeit der EC-Zelle optimiert werden, was zu einer verbesserten optischen Modulation und einer höheren Lichttransmission führt.

Trotz dieser Fortschritte gab es anfangs Einschränkungen hinsichtlich der Reaktionsgeschwindigkeit und der Spannung, die benötigt wurde, um die EC-Zelle vollständig zu aktivieren. Zu Beginn der Entwicklung lag die notwendige Spannung für die vollständige Farbänderung bei bis zu 12 V, wobei der Schaltvorgang bis zu 90 Sekunden in Anspruch nahm. Die OLED-Komponente zeigte ausreichende Helligkeit mit Werten von 300 bis 800 cd/m², was sie für transparente Displays und Beleuchtungssysteme geeignet macht.

Die Optimierung der Struktur des ECOLED-Geräts im Jahr 2021 führte zu einer noch effizienteren Version des Systems. Eine flexible Substratbasis ermöglichte eine bessere Integration der EC-Zelle und der OLED-Komponente, wodurch die Leistung und Stabilität des Geräts weiter verbessert wurden. Dies wurde durch die Einführung einer ITO-Schicht erreicht, die sowohl als Elektrode für die EC-Zelle als auch für die OLED verwendet wird. Das daraus resultierende monolithische, einlagige Design überwindet viele der Einschränkungen, die mit der Integration von EC- und OLED-Komponenten auf separaten Substraten verbunden sind.

Ein besonders wichtiger Aspekt der Optimierung war die Minimierung der optischen Transmissionsverluste, die durch das Zusammenfügen der beiden optoelektronischen Einheiten mithilfe eines speziellen Klebstoffs mit passendem Brechungsindex (RI) erreicht wurden. Diese Verbesserung führte zu einer deutlichen Erhöhung der optischen Modulation und einer Reduzierung der Verluste an der Schnittstelle zwischen den beiden Schichten.

In den neuen Geräten konnte durch die Verwendung von Nanostrukturen, wie etwa WO3-Säulen, in Verbindung mit einem Nafion-Polymer, die Leistung der EC-Zellen entscheidend verbessert werden. Dies trug nicht nur zur Verringerung des Widerstands beim Ladungstransfer bei, sondern erhöhte auch die Stabilität des Geräts, sodass es über 1000 Schaltzyklen hinweg nur eine geringe Abnahme der optischen Modulation (ca. 10 %) aufwies. Diese Fortschritte führten auch zu einer deutlichen Verbesserung der OLED-Komponente, deren Luminanz nun 1000 cd/m² erreichte und deren Stromeffizienz auf etwa 10 cd/A anstieg.

Der wichtigste Vorteil dieses neuen, vollständig integrierten ECOLED-Systems gegenüber früheren Varianten liegt in der Verringerung der Verlustleistungen und der Verbesserung der Reaktionsgeschwindigkeit. So konnte die Schaltzeit für das Färben und Bleichen der EC-Zelle auf nur 5 bis 10 Sekunden reduziert werden, was eine schnelle Anpassung an wechselnde Lichtverhältnisse ermöglicht. Auch die Spannung, die für die Aktivierung erforderlich ist, wurde gesenkt, was die Energieeffizienz des gesamten Systems verbessert.

Verglichen mit herkömmlichen, getrennt aufgebauten EC-OLED-Systemen, die häufig aus mehreren Glasschichten und separaten Elektroden bestehen, konnte die neue einlagige Konstruktion signifikante Vorteile bieten, insbesondere in Bezug auf die optische Klarheit im unbeleuchteten Zustand. Diese Geräte erreichten eine hohe Transmissionsrate bei der Verwendung des klaren Zustands (AVT von 60 %), was in transparenten Anwendungen von entscheidender Bedeutung ist.

Die verbesserten Geräte zeigten jedoch auch eine reduzierte äußere Quanteneffizienz im Vergleich zu reinen OLEDs, was jedoch durch die höheren optischen Kontraste und die bessere Gesamtstabilität der Funktionalität ausgeglichen wurde. Besonders bemerkenswert ist die hohe Transmissionsrate bei etwa 550 nm, die durch das präzise Design der Schichten und die fortschrittlichen Materialien, wie TiO2 und WO3, erreicht wurde.

Abschließend lässt sich sagen, dass diese fortschrittliche ECOLED-Technologie auf vielen Ebenen überlegene Leistungen erzielt hat, sowohl im Bereich der Energieeffizienz als auch der optischen und thermischen Steuerung. Die kontinuierliche Verbesserung der Struktur und der Materialien hat das Potenzial, neue Anwendungsmöglichkeiten zu erschließen, von flexiblen Displays bis hin zu transparenten Beleuchtungssystemen, die gleichzeitig Lichtemission und modulierbare Transparenz bieten.

Wie die Elektrophysikalischen Eigenschaften von OMIEC-Materialien während des Betriebs charakterisiert werden

Ein vielversprechender Ansatz zur Bestimmung der Ladungsträgerleitung in OMIECs erfolgt durch die Kombination von elektrochemischer Impedanzspektroskopie (EIS) mit galvanostatischen DC-Polarisationstests und klassischen Vierpunktmessungen. Diese Methodenkombination ermöglicht eine präzisere Trennung der ionischen und elektronischen Beiträge. Eine gängige elektrochemische Anordnung umfasst dabei Geometrien, bei denen das OMIEC-Material mit einer ionenblockierenden Arbeitselektrode und einer elektronblockierenden Elektrolytschnittstelle in Kontakt steht oder zwischen zwei edelmetallbeschichteten (ionenblockierenden) Elektroden verbunden wird. In dieser Konfiguration ist es möglich, die dominante Leitfähigkeit entweder als ionisch oder elektronisch zu bestimmen. Die Untersuchung der Leitfähigkeit von OMIEC-Filmen kann somit durch AC-Impedanzspektroskopie ergänzt durch DC-Messungen an ionenblockierenden Elektroden als Funktion der Temperatur und des Wasserdampfdrucks erfolgen.

Die Stärke der EIS-Analyse liegt in der Fähigkeit, verschiedene physikalische Prozesse nach ihrer Zeitskala (Frequenz) zu trennen. Dies ermöglicht die Modellierung des frequenzabhängigen komplexen Impedanzverhaltens, wobei das einfachste Modell ein Randles-Äquivalentschaltbild ist. Es besteht aus einem Widerstand $R_s$, der in Serie mit einem parallelen Widerstand $R_p$ und einem Kondensator $C$ geschaltet ist. Diese Elemente spiegeln unterschiedliche physikalische Prozesse wider, die während des Betriebs von OMIEC-Filmen auftreten, einschließlich der Elektronenübertragung zwischen dem Elektrolyt und dem OMIEC-Film sowie den Widerständen des Materials und der Elektroden.

Diese Prozesse führen zu einem dynamischen Gleichgewicht, das sich in einer Veränderung der strukturellen Eigenschaften des Films manifestiert. Dies umfasst Änderungen in der Planarität des Polymergerüsts, die Variation der π-Stapelabstände zwischen den Molekülen, die Abstände und die Aggregation von Molekülen sowie Veränderungen im Verhältnis zwischen kristallinen und ungeordneten Bereichen. Der Einsatz von verschiedenen spektroskopischen, streuungstechnischen und anderen mikrostrukturellen Analysemethoden ist von entscheidender Bedeutung, um die Wechselwirkungen zwischen den ionischen und elektronischen Beiträgen zu verstehen.

Um eine genaue Charakterisierung während des Betriebs zu gewährleisten, sind zeitaufgelöste Experimente notwendig, bei denen die Signale parallel zu optischen, mechanischen oder anderen strukturellen Signalen erfasst werden. Diese Experimente erfordern eine präzise Synchronisation der Messsignale für eine vollständige Analyse der Daten. Bei operando Messungen müssen jedoch vier Hauptanforderungen berücksichtigt werden: die chemische Umgebung, die über die Dauer des Experiments konstant bleiben muss, die konsistente Geometrie des Geräts, einschließlich der Parameter wie Filmdicke, Materialaniso- tropie und Elektrodenabstände, die Simulation der Ladungsträgerverteilung sowie der relevante Zeitrahmen des Geräts, um die Betriebsdynamik zu berücksichtigen.

Für einige kinetisch empfindliche Anwendungen, wie zum Beispiel Superkondensatoren oder elektrochemische Speichergeräte, sind zeitaufgelöste Experimente unerlässlich, da sie es ermöglichen, die realen Modifikationen der Materialeigenschaften während des Betriebs zu verfolgen. Für Anwendungen wie lichtemittierende elektrochemische Zellen oder Batterien können jedoch statische, nicht zeitaufgelöste Messungen ausreichend sein, um das Verhalten der Materialien im stabilen Zustand zu analysieren.