Forskjell mellom versjoner av «Smarte vinduer»

Revisjonen fra 23. mar. 2009 kl. 21:20

Smarte vinduer basert på elektrokromatiske materialer

En prosjektoppgave i Funksjonelle materialer (TMT4245). Skrevet av Oddmund, Marius og Carl.

Oppgaven

• Describe how a smart window based on electrchromic materials works.
• Describe the functional materials used in such windows and discuss the structure and properties of relevant materials

Virkemåte

Smarte vinduer er vinduer som kan skifte lystransmisjonen ved å påtrykke en spenning over den. Noe vinduer kan brukes til å styre hvor mye lys og varme som slipper gjennom. Det kan gå gradvis fra gjennomsiktig til mørkere, slik at kun noe av lyset slipper gjennom. Andre brukes til og skjule det som befinner seg på den andre siden. Glasset blir tåkete og uklart. Tiden det tar og endre egenskapene til glasset varierer fra sekunder for små vinduer til minutter for store vinduer.

Smarte vinduer har et stort potensial til å erstatte tradisjonelle vinduer med elektronisk styrte persienner. De bruker mindre energi og gir en mer gradvis skjerming fra solen. Vinduene bruker lite energi (4% av energi spart), og kan ha en levetid på opp til 25 år. Dette fører til at man kan spare opp til 55% av bygningens energibruk til oppvarming/avkjøling i varmere strøk (tall tatt fra et konkret eksempel i Hellas[6]). Dette tilsvarer en energisparing på 127 kWh/m² glass per år.

Smarte vinduer består av flere lag med forskjellige materialer. Felles for dem alle er at de må være gjennomsiktige. Den elektrokromatiske filmen endrer egenskaper slik at den kan enten transmittere lyset eller absorbere lyset, avhengig av spenningen som har blitt satt over vinduet. Den skifter også hvilke bølgelengder den absorberer/transmittere, dvs den endrer farge. For att man skal kunne bruke det elektrokromatiske materialet må minst en av tilstandene være tilnærmet fargeløse, og endringen i transmisjon må være stor. Ofte bruker man materialer med en svak gulfarge. Som oftest blir fargeendringen værende etter at strømmen skrus av. Dette omtales som "minne effekten". Som oftest må den ene tilstanden være gjennomsiktig for at man skal kunne bruke dem til vinduer.

Selve fargen kan komme av to ting: a) hν fører til en overføring av ladning mellom to sentre med ulik valens eller oksidasjonstilstand, eller b) hν fører til en eksitasjon av elektroner i atomene.

Over kan man se et typisk montering av et smart vindu. Ytterst på begge sider har man vanlig glass. Glasset brukes til og beskytte de indre lagene og holde vinduet sammen. På innsiden av glasset på begge sider er en et tynt lag med en gjennomsiktig leder. Det er vanlig og bruke indium tin oksid (ITO) som det ledende laget. Innenfor dette laget har man et lag med det elektrokromatiske materialet på den ene siden og et lag med materiale som virker som inonelager på den andre siden. Det er vanlige og bruke et oksid (f. eks. WO₃) eller en organisk film. Til slutt har man en ionisk leder (elektrolytt) i midten. Det er viktig at denne elektrolytten bare leder ioner og ikke elektroner, da dette vil ødelegge den elektrokromatiske reaksjonen. Det er viktig at alle lagene er helt tett inntil hverandre slik at det blir god elektrisk ledningsevne mellom lagene. Det laget som fungere som inonelager kan være elektrokromatisk, men behøver ikke være det.

I eksemplet med WO₃ som elektrokromatisk materiale vil man ha en ionelager med Na⁺-ioner. W kan ha en oksidasjonstilstand på enten +V eller + VI. Når man setter på en spenning over lagene vil da Na⁺-ionene migrere over til WO₃-laget og man for denne reaksjonen:

xNa⁺ + WO₃ + xe^- = Na_xW_x^VW_1-x^VIO₃

Ren WO₃ er nesten fargeløs og gjennomsiktig når man har den som en tynn film. Når man reagerer den med Na og deler av W skifter oksidasjonstilstand fra +VI til +V, entrer noen av elektronene 5d-båndet (som er helt tomme i WO₃). Dette fører til at materialet mørkner på grunn av d-d overganger fører til absorpsjon av lys (hν).

Materialer

Glass

Vanlig glass for å beskytte de indre, funksjonelle materialene. Gjerne brukt som substrat for de mellomliggende materialene.

Gjennomsiktig leder

Dette er ledende materialer som samtidig er gjennomsiktige slik at lys kan slippe igjennom. Dette kan brukes i alt fra solceller til LCD-skjermer, og brukes da fordi det er gjennomsiktig. I et smart vindu er dette en helt essensiell ting i og med at vi skal ha et vindu det går an å se gjennom. Tradisjonelle ledere er sjelden gjennomsiktige, og derfor er det i smarte vinduer greit å ta i bruk slike gjennomsiktige ledere. Den mest brukte, og da mest vanlige, gjennomsiktige lederen er indium tinnoksid. Dette ledende materialet er brukt i det meste man kan tenkte seg å bruke slike gjennomsiktige ledere til, og da også til smarte vinduer. Det er også forsket på (selvfølgelig) om nanokarbonrør skal kunne brukes som slike gjennomsiktige ledere, og noen har faktisk fått det til også. Aluminiumsdopet sinkoksid og fluordopet tinnoksid er også alternative materialer som brukes, og grunnene til at man prøver å finne erstattnigner er at indium er et noe dyrt metall som det er begrenset tilgang på, samt at det er en veldig skjørt og lite fleksibelt.

Indium tinnoksid består av indiumoksid som er dopet med tinn i form av <math>In_2O_3</math> og <math>SnO_2</math> i en fast løsning. Indiumoksid er et oksid med en såpass stort båndgap at det er gjennomsiktig, altså ikke absorberer synlig lys, men det reflekterer infrarød stråling og kan bli brukt som varmespeil. Det er en halvleder og når man doper indiumoksid med tinnoksid så får man overskudd av elektroner, n-dpoing, i forhold til den opprinnelige indiumoksidstrukturen, og dermed blir oksidet ledende.

Aluminiumsdopet sinkoksid fungerer også som en leder. Sinkoskid er en såkalt II-VI-halvleder, men er brukt som igrendiens i mye annet enn elektronikk, som for eksempel i batterier, i mat, i flammehemmere med mer og er som indiumoksid også varmereflekterende. Dette er et materiale med relativt stort båndgap som gjør at det blir gjennomsiktig, og når man doper det med aluminium blir det et overskudd av hull og man får et ledende materiale. Derfor kan dette brukes som et alternativ til induimoksid fordi aluminium og sink er mindre giftig og mer tilgjengelig enn indium.

Fluordopet tinnoksid er enda et ledende dopet oksid som også er gjennomsiktig. Dette blir ledende når man lager tynnfilmer av det og doper det med fluor eller antimon.

Enveggede karbonnanorør, SWCNT, kan også brukes som gjennomsiktige ledere når de settes sammen til en meget tynn film. Her slippes også infrarød stråling igjennom. SWCNT er gode ledere så her er det egentlig bare tykkelsen på filmen som gjør den spesiell.De egenskapene som gjør at denne filmen blir gjennomsiktig og ledende er nanorørenes lave ladningsbærertetthet, høye elektroniskte mobilitet og evne til å slippe gjennom upolarisert lys uten å absorbere for mye av det.

Elektrokromatiske film (ionelagrende film)

Elektrolytt (ionisk leder)

Vanligvis en polymer eller tynn film av et hydrert oksid.

Artikler

1. RECENT ADVANCES IN ELECTROCHROMICS FOR SMART WINDOWS APPLICATIONS, C. G. GRANQVIST et al, Solar Energy Vol. 63, No. 4, pp. 199–216, 1998
2. Enhancement of Photocatalytic and Electrochromic Properties of Electrochemically Fabricated Mesoporous WO3 Thin Films, Shung-Hyeon Baeck et al, Adv. Mater. 2003, 15, No. 15, August 5
3. Crystalline WO3 Nanoparticles for Highly Improve Electrochromic Applications, Se-Hee Lee et al, Adv. Mater. 2006, 18, 763–766
4. Electrochromic Systems and the Prospects for Devices, David R. Rosseinsky, Adv. Mater. 2001, 13, No. 11, June 5
5. ELECTROCHROMIC MATERIALS: Out of a niche, CLAES-GÖRAN GRANQVIST, Nature Materials, VOL 5, FEBRUARY 2006
6. Electrochromic Windows: Physical Characteristics and Environmental Profile, E. Syrrakou et al, Paper presented at the Patras Conference on Solid State Ionics - Transport Properties, Patras, Greece, Sept. 14 -18, 2004.
7. http://en.wikipedia.org/wiki/Smart_windows
8. http://vohweb.chem.ucla.edu/voh/classes%5Cfall08%5C285ID168%5CtransparentconductiveCNTfilms-8cpaper.pdf
9. http://digitalfire.com
10. http://www3.interscience.wiley.com/cgi-bin/fulltext/114209484/PDFSTART
11. http://www.rsc.org/ejarchive/JM/1993/JM9930300833.pdf
12. Polyaniline
13. http://www.freshpatents.com/Electrically-conductive-yarn-dt20051222ptan20050282009.php