Elektrochromie

Darstellung elektrochromes Schichtsystem
© Fraunhofer IST, Falko Oldenburg

Schaltbare Verglasungen zur Regulierung der Lichttransmission und des Energiedurchgangs werden aus Gründen des Komforts und steigender Energiekosten vermehrt nachgefragt. Dies betrifft vor allem großflächige Verglasungen von Gebäuden sowie im Automobilbereich. Derartige Systeme lassen sich insbesondere mithilfe elektrochromer Schichten realisieren. Der prinzipielle Aufbau eines solchen Systems entspricht dem einer Dünnschichtbatterie. 

Ein elektrochromes Schichtsystem enthält zwei transparente Elektroden, eine Aktivschicht, einen lithiumhaltigen Elektrolyten und eine Gegenelektrode. Durch Anlegen einer Spannung wird Lithium in der Aktivschicht, in der Regel Wolframoxid (WO3), eingelagert, wodurch sich dieses dunkel färbt. Durch Umpolen der Spannung wird das Lithium aus der Aktivschicht über den Elektrolyt in die Gegenelektrode transferiert. Hierbei hellt sich die Aktivschicht wieder auf. Idealerweise zeigt die Gegenelektrode ein gegenläufiges Verhalten, d. h. bei Lithiumauslagerung eine dunklere Färbung als bei eingelagertem Lithium. Ein derartiges Verhalten ist lediglich für eine Reihe von Oxiden der Übergangsmetalle bekannt: Cr, Co, Mn, Ni, V, Ir, Fe und Ru. Hierbei scheiden Iridium und Ruthenium aus Kostengründen für einen großflächigen Einsatz aus. Iridiumoxid (IrO2) kommt z. B. nur auf kleiner Fläche in schaltbaren Autospiegeln zum Einsatz. Weitere Randbedingungen sind der erreichbare hell/dunkel Schalthub, die Zyklenstabilität, der Farbeindruck und Gesundheitsaspekte der Materialien.

Aktuelle Arbeiten

Die Suche nach Alternativen und Modifikationen der oben genannten Materialien für die Gegenelektrode und die Aktivschicht sind Gegenstand aktueller Forschungsarbeiten. Das Fraunhofer IST nimmt hierzu an folgendem Verbundprojekt teil:

Smart Windows der 2. Generation »ECWin2.0«, Teilvorhaben: Neuartige farbangepasste effiziente Gegenelektroden für elektrochrome Verglasungen, FKZ: 13N13375.

Die Projektpartner sind EControl-Glas GmbH & Co. KG und GFE Fremat GmbH. Ein erstes Projektergebnis ist hierbei die Identifikation von TiNb2O7 als alternatives Material für die Aktivschicht (siehe unten stehende Veröffentlichung).

Unser Angebot

  • Entwicklung von Aktivschicht- und Gegenelektrodenmaterialien
  • Entwicklung von Abscheideprozessen für Aktivschicht- und Gegenelektrodenmaterialien
  • Eignungstests von Sputtertargets und Sputterprozessen zur Abscheidung elektrochromer Schichten
  • Charakterisierung von elektrochromen Schichten mittels kombinierter Cyclovoltammetrie und Photometrie sowie weiterer Methoden der Schichtanalytik (XRD, XPS, SIMS, EPMA, FIB-REM, REM)
  • Aufbau und Test von Prototypen elektrochromer Systeme

Veröffentlichung

Stephan Ulrich, Christian Szyszko, Sebastian Jung, Michael Vergöhl: Electrochromic properties of mixed oxides based on titanium and niobium for smart window applications; Surface & Coatings Technology 314 (2016) 41–44.