Neue Materialien für schaltbare Verglasungen

Die Nachfrage nach schaltbaren Verglasungen steigt aus Gründen des Komforts und wachsender Energiekosten stetig. Die dafür benötigten elektrochromen Schichten werden am Fraunhofer IST entwickelt.

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Siliziumschichten für Heterostruktursolarzellen

Die heißdraht-aktivierte Gasphasenabscheidung stellt eine vielversprechende Technologie für eine kostengünstige Abscheidung von defektarmen Siliziumschichten dar. Aus diesem Grund nutzt das Fraunhofer IST dieses Verfahren, um es im Hinblick auf seine Eignung zur Herstellung hocheffizienter SHJ–Solarzellen, insbesondere für Anwendungen im Automobilsektor zu untersuchen.

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Oxidschichten für hohe Temperaturen

Oxidschichten, die am Fraunhofer IST hergestellt und untersucht werden, können Metallwerkstoffe wirksam vor einer Zerstörung durch Heißgas-Korrosion schützen. In Verbrennungsräumen von z. B. Gasturbinen bestimmen diese maßgeblich die Lebensdauer der Bauteile.

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Kalt-Plasmaspritzen für dreidimensionale Schaltungsträger

Das am Fraunhofer IST entwickelte Kalt-Plasmaspritzen ermöglicht eine selektive Metallisierung von Polymerbauteilen ohne den Einsatz von Nasschemie und ohne Vor- oder Nachbehandlungsschritte.

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Gasfluss-gesputterte Siliziumschichten

Da reines Silizium seit Jahrzehnten das Basiselement der Mikroelektronik ist, werden neuartige Silizium-Abscheideprozesse entwickelt und untersucht. Einer dieser Prozesse nutzt das am Fraunhofer IST entwickelte Hohlkathoden-Gasfluss-Sputtern (GFS).

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Neue Materialien für schaltbare Verglasungen

Prinzipieller Aufbau eines elektrochromen Schichtsystems.
© Fraunhofer IST, Falko Oldenburg

Prinzipieller Aufbau eines elektrochromen Schichtsystems.

Änderung der optischen Dichte (∆OD) in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der metallischen Bestandteile der Gegenelektrode.
© Fraunhofer IST

Änderung der optischen Dichte (∆OD) in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der metallischen Bestandteile der Gegenelektrode.

Die Nachfrage nach schaltbaren Verglasungen zur Regulierung der Lichttransmission und des Energiedurchgangs steigt aus Gründen des Komforts und wachsender Energiekosten stetig. Dies betrifft vor allem Verglasungen von Gebäuden sowie von Automobildächern. Die für derartige Systeme benötigten elektrochromen Schichten werden am Fraunhofer IST entwickelt.

Das Prinzip

Der prinzipielle Aufbau eines elektrochromen Schichtsystems ist in der nebenstehenden Abbildung gezeigt. Er entspricht im Wesentlichen dem einer Lithium-Ionen-Batterie, jedoch mit transparenten Elektroden und Aktivschicht sowie Gegenelektrodenmaterialien, die je nach Ladungszustand ihre Lichttransmission ändern. Die Aktivschicht des Systems besteht in der Regel aus Wolframoxid (WO3). Durch Anlegen einer Spannung wird Lithium in diese eingelagert, wobei sie sich dunkel färbt. Diesen Vorgang bezeichnet man als kathodisches Schaltverhalten. Durch das Umpolen der Spannung wird das Lithium aus der Aktivschicht über den Elektrolyten zur Gegenelektrode transferiert und dort eingelagert. Dadurch hellt sich die Aktivschicht wieder auf.

Idealerweise zeigt die Gegenelektrode ein gegenläufiges anodisches Schaltverhalten, d. h. eine Aufhellung bei Lithium-Einlagerung und eine Dunkelfärbung im Zustand ohne Lithium. Ein derartiges anodisches Schaltverhalten ist nur für wenige Oxide der Übergangsmetalle bekannt, Beispiele sind Chrom (Cr), Cobalt (Co), Mangan (Mn), Nickel (Ni), Vanadium (V), Iridium (Ir), Eisen (Fe) und Ruthenium (Ru). Hierbei scheiden Iridium und Ruthenium aus Kostengründen für einen großflächigen Einsatz aus. So kommt Iridiumoxid (IrO2) z. B. nur auf kleiner Fläche in schaltbaren Autospiegeln zum Einsatz. Weitere im Rahmen eines Einsatzes zu berücksichtigende Randbedingungen sind der erreichbare hell / dunkel Schalthub, die Zyklenstabilität, der Farbeindruck sowie Gesundheitsaspekte der Materialien.

Neuartige Gegenelektroden

Aktuell werden am Fraunhofer IST im Rahmen des Verbundprojekts »Smart Windows der 2. Generation ‘ECWin2.0‘« mit der Förderkennziffer 13N13375 gemeinsam mit den Projektpartnern EControl-Glas GmbH & Co und GFE Fremat GmbH neuartige Gegenelektroden entwickelt. Ziel ist es, die bestehende Gegenelektrode – ein Metall 1-Metall 2-Oxid – des Projektpartners EControl durch Zusatz oben genannter Elemente zu modifizieren und so insbesondere das Schaltverhalten und den derzeit leicht gelben Farbeindruck weiter zu verbessern.

Dafür werden am Fraunhofer IST mittels reaktivem Ko-Sputtern von bis zu drei Sputterquellen neue Mischoxide hergestellt. Die Beurteilung der Lithiumaufnahmefähigkeit erfolgt mithilfe der Zyklovoltammetrie. Parallel dazu wird die visuelle Transmission und deren Änderung gemessen. Nach ersten orientierenden Abscheidungen der reinen Oxide, z. B. Metall 1-Oxid (vgl. Abbildung oben) wurden unterschiedlichste Mischungen realisiert. Die erfolgreichste zeigt dabei über weite Bereiche das gewünschte anodische Schaltverhalten. Die optische Dichte (OD) nimmt bei Lithium-Einlagerung ab (vgl. untere Abbildung, ∆OD < 0), d. h. die Schicht hellt auf. Gleichzeitig weisen die Schichten eine ausreichende Lithium-Aufnahmefähigkeit auf.

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