Smarte vinduer

Fra Nanowiki
Revisjon per 26. mar. 2009 kl. 12:36 av Mariusuv (diskusjon | bidrag) (Elektrokromatiske film (ionelagrende film))

Hopp til: navigasjon, søk

En prosjektoppgave i Funksjonelle materialer (TMT4245). Skrevet av Oddmund Hatling, Marius Uv Nagell og Carl Huseby Fosli våren 2009.

Oppgaven

Smarte vinduer basert på elektrokromatiske materialer

  • 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[1]. Tiden det tar og endre egenskapene til glasset varierer fra sekunder for små vinduer til minutter for store vinduer[2].

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). Dette tilsvarer en energisparing på 127 kWh/m2 glass per år[2].

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[3].

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[3].


Feil under oppretting av miniatyrbilde: Filen mangler
Figur 1: En skisse av en elektrokromatisk innretning som viser de forskjellige lagene og ionetransport under et påtrykt elektrisk felt[4]


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. Ionelager-laget kan, men trenger ikke være et eletrokromatisk materiale. 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[3].

I eksemplet med WO3 som elektrokromatisk materiale vil man ha et ionelager med Na+-ioner. Strukturen er i realiteten WO6-molekyler som blir bundet sammen til en perovskittstruktur, noe som gjør at Na+-ionene kan migrere uhindret gjennom materialet og fordele seg raskt og jevnt i det.

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)[5].

Materialer

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.[11]

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

Indium tinnoksid består av indiumoksid som er dopet med tinn i form av In2O3 og SnO2 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 har en bixbyite-type kubisk krystallstruktur[6]. Indiumoksid er en halvleder og når man doper det med tinnoksid så får man overskudd av elektroner, n-dpoing, i forhold til den opprinnelige indiumoksidstrukturen, og dermed blir oksidet ledende når det lages i tynnfilm. Det får også en god det oksygenvakanser som øker ledningsevnen[7].

Aluminiumsdopet sinkoksid

Aluminiumsdopet sinkoksid fungerer også som en leder[8]. 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[9]. 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 tynnfilmmateriale. Dopingen stabeliserer også strukturen til sinkoksidet som ved romtemperatur er heksagonal wurtsittstruktur[10]. Derfor kan dette brukes som et alternativ til induimoksid fordi aluminium og sink er mindre giftig og mer tilgjengelig enn indium.

Fluordopet tinnoksid

Fluordopet tinnoksid er enda et ledende dopet oksid som også er gjennomsiktig[12]. Dette blir ledende når man lager tynnfilmer av det og doper det med fluor eller antimon. Strukturen til tinnoksid er rutil[13]. 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

Enveggede karbonnanorør, SWCNT, kan også brukes som gjennomsiktige ledere når de settes sammen til en meget tynn film[11] (se fig. 2). Strukturen til karbonnanorørene er tettpakket heksagonal[11], men siden denne strukturen er rullet opp i rør, så er den ikke så tettpakket. Her slippes også nær-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.

Polymerer

Man kan også bruke polymerer som ledere. Ledende polymerer kalles ofte for syntetiske metaller fordi de kan modifiseres til og få same egenskaper (elektriske, magnetiske og optiske) som metaller/halvledere, men fortsatt beholde sine mekaniske egenskaper som polymerer. For at polymeren skal være ledende trenger den delokaliserte elektroner. Dette kan den oppnå ved og ha konjugerende dobbeltbindinger i polymerstrukturen og samtidig innføre frie ladningbærere ved oksidasjon/reduksjon (tilsvarer doping i halvledere)[14].

Elektrokromatiske film (ionelagrende film)

Feil under oppretting av miniatyrbilde: Filen mangler
Figur 3: a) TEM bilde av WO3 nanopartikler (nanorods og nanosperoids). b) SEM bilde av WO3 film deponert vha elektroforese.[15]

Det fins to viktige kriterier man må ta hensyn til når man skal velge materialer for elektrokromatisk film[15]. Det første er hvor lang tid ionene i materialet bruker på å binde seg/løse seg fra hverandre. Dette er begrenset av diffusjonskoeffisienten i materialet og diffusjonslengden, hvor det første avhenger av den kjemiske strukturen til materialet og det andre av materialets mikrostruktur. Det andre kriteriet er fargeleggingseffektiviteten (FE), et mål på hvor sterk den optiske tettheten (OT) i materialet er per påført ladningsenhet (Q)

<math>FE = \frac{\Delta (OT)}{\Delta (Q)}</math>.

En høy FE betyr at den optiske tettheten kan endres med lav ladningsendring, noe som bidrar til både mindre energibehov i materialet samt at potensielle skader ved syklisk bruk blir mindre.

Wolframoksid

Det materialet som har vist høyest FE er det gule materialet Wolframoksid (figur 3), WO3, 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. Ved å fabrikkere elektrokromatiske filmer fra krystallinsk WO3 nanopartikler istedet for å bruke vanlig amorf WO3 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.

Polymerer

Et annet elektrokromatisk materiale er polyanilin. Polyanilin (figur 4) er en polymer som blir strømledende ved delvis oksidering eller redusering, og de elektriske egenskapene kan reversibelt endres fra isolatorer til metalliske ledere[16]. Fargen på polymeren kan være hvit, grønn eller blå, avhengig av oksidasjonen. Det største bruksområde for polyanilin er som strømførende ”garn”, noe som blir brukt blant annet i arbeidsklær i oljeindustrien for å fjerne statisk elektrisitet[17].

Figur 4: Polyanilinstruktur n+m = 1, x = grad av polymerering

Et tredje materiale som blir undersøkt for elektrokromatisk anvendelse er viologener. Viologener er på likhet med polyanilin polymerer som endrer farge markant ved reduksjon og oksidasjon. Forsøk gjort ved å lag-for-lag-deponere en blanding av viologengrupper og silsesquioxane med et anionisk bindingslag har vist at denne polymeren har potensiale for å bli brukt i den rask voksende fast-stoff industrien. Dette på grunn av god fargestabilitet og kort tid mellom den reduserte fiolett-blå tilstanden til den oksiderte oransje tilstanden[18].

Elektrolytt (ionisk leder)

Flytende elektrolytt

Det enkleste er å bruke en flytende elektrolytt, dvs salt løst i en væske. For å hindre at væsken fryser er det vanlig å bruke høye konsentrasjoner av salt. Saltionene må passe til det elektrokromatiske materialet, slik at den ikke forstyrrer i den elektrokjemiske prosessen. Et stort problem med flytende elektrolytt er at den kan lekke ut, enten under produksjon eller hvis den går i stykker under bruk. Flytende elektrolytt er stort sett brukt i mindre applikasjoner.

Faste stoffer

Man kan også ha elektrolytter av faste stoffer. Her kan man bruke faste salter eller polymerer, men polymerer med udopet ionisk ledningsevne, eller en polymer som inneholder bundet salter er mest brukt.

Salter

Faste salter leder kun ioner hvis det er defekter i materialet og de oppnår god ledningsevne kun ved høye temperaturer. Et eksempel kan være NaCl. I dette saltet oppstår det ledningsevne fordi det er Schottky-defekter i materialet. Ved lave temperaturer er det ikke god nok ledningsevne til at man kan bruke det til elektrolytt (σromtemp < 10-12 ohm-1 cm-1). For og bedre ledningevnen i salter kan man dope de slik at defektkonsentrasjonen øker. I NaCl er det V'Na som står for ledningsevnen og hvis man endrer likevekten:

<math>K = \frac{V^{'}_{Na}V^{*}_{Cl}}{Na^{x}_{Na}Cl^{x}_{Cl}}</math>

slik at V'Na øker, øker ledningsevnen. Det finnes en liten gruppe med faste salter som har veldig høy ledningsevne. Disse kalles ofte faste elektrolytter eller raske ioneledere. Disse har en spesiell krystallstruktur som ofte har tunneler eller lag i krystallgitteret som ionene kan bevege seg i. Disse kan ha en ledningsevne opptil 10-3 ohm-1 cm-1 (Na+ i β-aluminiumoksid), noe som er sammenlignbart med flytende elektrolytter[22].


Feil under oppretting av miniatyrbilde: Filen mangler
Figur 5: En skisse av strukturen til β-aluminiumoksid. De ulike fargede prikkene representerer mulige natrium-posisjoner.[17]

Som man kan se fra figur 5 er det lag mellom sinell-blokkene hvor Na+-ionene kan bevege seg veldig fritt. Dette fordi det Na+-ioner har tatt oksygen-plassen som er større en Na+-ionene. Siden ionene kun kan bevege seg i lagene mellom spinell-blokkene er dette en 2D-leder. Det er derfor viktig og passe på hvilken vei man gror materialet på substratet.

Polymerer

Polymerer slik som polyetylenoksid (PEO) dopet med LiClO4 eller poly-2-akryladido-2-metyl-propan-sulfatsyre (PAMPS) som inneholder sine egne H+-ioner. Disse materialene kan brukes i fleksible glass sammen med ITO-dekket polymer som leder. De har også andre ønskede egenskaper som lav vekt og god kontakt med andre materialer siden de er myke[4]. En stor fordel med polymerer som elektrolytt er at man eliminerer faren for fordampning og lekkasje som man har med flytende elektrolytt, og at man har bedre elastisitet/dekningeffektivitet enn i faste materialer. Det er i prinsippet tre måter å lage ionisk ledende polymerer på: a) en polymer oppsvulmet med en flytende elektrolytt, som gir god ledningsevne, dette vil da ikke eliminere fordampning/lekkasje, b) en polymer som inneholder kationer/anioner festet til polymerkjeden, noe som gir lav ledningsevne pga lav mobilitet av ionene, c) en blanding av salt i en ione-løsnede polymer, dette gir en fast elektrolytt med god nok ledningsevne til og brukes i elektrokromatiske systemer[18].

Referanser

  1. Smart Windows, wikipedia.org, hentet 23.03.2009, http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Smart_glass&oldid=277561948
  2. 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.
  3. Electrochromic Systems and the Prospects for Devices, David R. Rosseinsky, Adv. Mater. 2001, 13, No. 11, June 5
  4. ELECTROCHROMIC MATERIALS: Out of a niche, CLAES-GÖRAN GRANQVIST, Nature Materials, VOL 5, FEBRUARY 2006
  5. Basic Solid State Chemistry, Anthony R. West, 1999, ISBN 0-471-98756-5
  6. Indium(III) oxide, wikipedia.org, http://en.wikipedia.org/wiki/Indium(III)_oxide, hentet 25. mars 2009
  7. 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 No. 11, December 1, 1999
  8. C. Klingshirn "ZnO: Material, Physics and Applications" ChemPhysChem 8 (2007) 782
  9. Zinc oxide, wikipedia.org, http://en.wikipedia.org/wiki/ZnO, hentet 25. mars 2009
  10. H. Kim, et al, Transparent conducting aluminium-doped zinc oxide thin films for organic light-emitting devices, Applied Physics Letters, Vol. 76, No. 3, pp. 259-216, 17. januar 2000
  11. Transparent, Conductive Carbon Nanotube Films, Z. Wu, et al, Science 305 (2004), 1237
  12. Physicochemical characteristics of fluorine doped tin oxide, A. I. Martinez, et al, Journal of Physics D: Applied Physics 39 (2006), 5091-5096
  13. Tin dioxide, wikipedia.org, http://en.wikipedia.org/wiki/SnO2, hentet 25. mars 2009
  14. Electrochemistry, Polymers and Opto-Electronic Devices: A Combination with a Future, M. A. DePaoli et al, Adv. Mater. 1998, 18, 1522
  15. Crystalline WO3 Nanoparticles for Highly Improve Electrochromic Applications, Se-Hee Lee et al, Adv. Mater. 2006, 18, 763–766
  16. Polyaniline - Processing and Applications, Panipol Ltd, hentet 23.03.2009, http://www.azom.com/details.asp?ArticleID=1197
  17. http://www.freshpatents.com/Electrically-conductive-yarn-dt20051222ptan20050282009.php
  18. High-Contrast Solid-State Electrochromic Devices of Viologen-Bridged Polysilsesquioxane Nanoparticles Fabricated by Layer-by-Layer Assembly Vaibhav Jain et al, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2009, 1 (1), 83-89
  19. β-Alumina schematisch, Caroline Röhr, hentet 25.03.2009, http://ruby.chemie.uni-freiburg.de/Vorlesung/fk_chemie_2.html


Ikke brukte

Til korekturleser: Slett om du føler det er riktig

  1. 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. 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


  1. 11http://www.rsc.org/ejarchive/JM/1993/JM9930300833.pdf