Forskjell mellom versjoner av «Smarte vinduer»

Fra Nanowiki
Hopp til: navigasjon, søk
(Artikler)
(Artikler)
Linje 76: Linje 76:
 
#[http://www.freshpatents.com/Electrically-conductive-yarn-dt20051222ptan20050282009.php http://www.freshpatents.com/Electrically-conductive-yarn-dt20051222ptan20050282009.php]
 
#[http://www.freshpatents.com/Electrically-conductive-yarn-dt20051222ptan20050282009.php http://www.freshpatents.com/Electrically-conductive-yarn-dt20051222ptan20050282009.php]
 
#[http://www.iop.org/EJ/article/0022-3727/39/23/029/d6_23_029.pdf?request-id=1ae9149a-8e4d-474d-a016-455e968457cb Physicochemical characteristics of fluorine doped tin oxide, A. I. Martinez, et al, Journal of Physics D: Applied Physics 39 (2006), 5091-5096]
 
#[http://www.iop.org/EJ/article/0022-3727/39/23/029/d6_23_029.pdf?request-id=1ae9149a-8e4d-474d-a016-455e968457cb Physicochemical characteristics of fluorine doped tin oxide, A. I. Martinez, et al, Journal of Physics D: Applied Physics 39 (2006), 5091-5096]
  +
#[http://scitation.aip.org/getpdf/servlet/GetPDFServlet?filetype=pdf&id=JAPIAU000086000011006451000001&idtype=cvips&prog=normal Electrical, optical, and structural properties of indium–tin–oxide thin films
  +
for organic light-emitting devices, H. Kim, et al, Journal of Applied Physics, Vol. 68, December 1999]

Revisjonen fra 24. mar. 2009 kl. 12:02

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.


Feil under oppretting av miniatyrbilde: Filen mangler
En skisse av en elektrokromatisk innretning som viser de forskjellige lagene og ionetransport under et påtrykt elektrisk felt. Kilde: (5)


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- = NaxWxVW1-xVIO3


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

Feil under oppretting av miniatyrbilde: Filen mangler
Figur 2:Her er noen bilder av en enveggskarbonnanorørfilm som er grodd frem på en grooverflate (et safisubstrat) og som er ganske så transperent, samt ledende.[8]

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[10]. 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[14]. Dette blir ledende når man lager tynnfilmer av det og doper det med fluor eller antimon. Dette er enda et eksempel på spesielle metalloksider som er halvledende kan dopes og brukes i form av tynnfilmer som ledende materialer. Dette kan kalles de tradisjonelle gjennomsiktige materialene, men det finnes også andre muligheter.

Enveggede karbonnanorør, SWCNT, kan også brukes som gjennomsiktige ledere når de settes sammen til en meget tynn film (se fig. 2). 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)

Det er flere materialer som blir brukt som elektrokromatisk film. Det som har vært mest brukt er amorf wolframoksid, <math>WO_3</math>, [11](bilde fra wikipedia). Dette gule materialet har utvist den høyeste fargeeffektiviteten (FE) av alle de andre brukte materialene, men dets høye oppløsningsevne i sure miljøer gjør at det kun kan bli brukt i lithiumbaserte elektrolytter. Dette reduserer responstiden og gjør det lite egnet til bruk i elektrokromatisk film. Men ved å fabrikkere elektrokromatiske filmer fra krystallinsk <math>WO_3</math> nanopartikler har man klart å redusere oppløsningseffekten fra sure miljøer, samt fått økt ladningstettheten. Dette har man fått til ved å øke porøsiteten i materialet, noe som har økt overflatearealet i filmen. En effekt av dette er billigere materiale, noe som er viktig når man skal finne bruksområder til elektrokromatiske filmer. Andre elektrokromatiske materialer er polyaniline og viologener. Polyaniline (bilde fra wikipedia) er en polymer som blir strømledende ved delvis oksidering eller redusering, og de elektriske egenskapene kan reversibelt endres fra isolatorer til metalliske ledere[12]. Fargen på polymeren kan være hvit, grønn eller blå, avhengig av oksidasjonen. Det største bruksområde for polyaniline er som strømførende ”garn”, noe som blir brukt blant annet i arbeidsklær i oljeindustrien for å fjerne statisk elektrisitet[13].

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. Transparent, Conductive Carbon Nanotube Films, Z. Wu, et al, Science 305 (2004), 1237
  9. http://digitalfire.com
  10. C. Klingshirn "ZnO: Material, Physics and Applications" ChemPhysChem 8 (2007) 782
  11. http://www.rsc.org/ejarchive/JM/1993/JM9930300833.pdf
  12. Polyaniline
  13. http://www.freshpatents.com/Electrically-conductive-yarn-dt20051222ptan20050282009.php
  14. Physicochemical characteristics of fluorine doped tin oxide, A. I. Martinez, et al, Journal of Physics D: Applied Physics 39 (2006), 5091-5096
  15. [http://scitation.aip.org/getpdf/servlet/GetPDFServlet?filetype=pdf&id=JAPIAU000086000011006451000001&idtype=cvips&prog=normal Electrical, optical, and structural properties of indium–tin–oxide thin films

for organic light-emitting devices, H. Kim, et al, Journal of Applied Physics, Vol. 68, December 1999]