Wie smarte Fenster die Energieeffizienz revolutionieren können: Die Rolle von Elektrochromen Beschichtungen

Die Fertigung von elektrochromen (EC) Fenstern nutzt modernste Technologien, um die Energieeffizienz von Gebäuden zu optimieren. Besonders hervorzuheben sind dabei die flexiblen Beschichtungen, die auf Folien aufgebracht werden, welche als Rollmaterial oder in großen Plattenformaten an die Laminierer oder Hersteller von Isolierglas (IGU) geliefert werden. Diese Platten können dann in die gewünschte Größe und Form geschnitten werden, Busbars (Stromschienen) werden appliziert, und die Verglasung ist abgeschlossen. In solchen web-beschichteten EC-Systemen wird der Elektrolyt als Polymergel aufgetragen und durch einen Vernetzungsprozess gehärtet. Die abschließende Plastiklaminierung sorgt für zusätzliche schützende Eigenschaften, einschließlich einer Spallschutzfunktion bei Bruch, Einbruchschutz und akustischer Dämpfung.

Die Elektrolytfilme in diesen Systemen müssen von höchster optischer Qualität und Homogenität sein. Fehler wie Hürden oder Mikroporen, die zu einem Elektronentransfer zwischen den EC-Schichten führen könnten, müssen unbedingt vermieden werden. Ein interessantes Augenmerk liegt auf der Tatsache, dass EC-Geräte mit hoher optischer Erinnerung, die keine wiederholten elektrischen „Erfrischungspulse“ benötigen, um den gefärbten Zustand zu erhalten, erhebliche Vorteile in Bezug auf Energieeffizienz und Langlebigkeit bieten. Geräte mit einer solchen optischen „Erinnerung“ ermöglichen eine kontinuierliche Energieeinsparung ohne häufige elektrische Eingriffe.

Laminierte smarte Fenster und selbstklebende smarte Filme bieten viele Vorteile gegenüber herkömmlichem Glas. Die Wahl der geeigneten Technologie hängt dabei von den spezifischen architektonischen Anforderungen, den Projekttypen und den strukturellen Gegebenheiten ab.

In der heutigen Zeit, in der fossile Energien nach wie vor die Hauptquelle für Energie darstellen, ist der Übergang zu nachhaltigeren, erneuerbaren Energiequellen von entscheidender Bedeutung. Fossile Brennstoffe, die hauptsächlich aus Öl, Kohle und Erdgas bestehen, verursachen erhebliche Umweltbelastungen und haben nachweislich negative Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit durch die Emission von Kohlendioxid (CO2) und anderen Treibhausgasen. Die stetig wachsenden CO2-Emissionen und die rapide Zunahme der Weltbevölkerung und Urbanisierung führen zu einer immer schwerer werdenden Belastung der Umwelt. Besonders die Entwicklung von Megastädten und die damit einhergehende Verstädterung tragen maßgeblich zur Verschlechterung der Umweltbedingungen bei.

Smarte Fenster bieten den Vorteil, dass sie sich dynamisch an äußere Bedingungen anpassen können. Während herkömmliche Fenster oft zu erheblichem Wärmeverlust und übermäßiger Sonneneinstrahlung führen, können elektrochrome Fenster durch die Modulation von Licht und Wärme den Energiebedarf um bis zu 60% reduzieren. Dies schließt Einsparungen bei der Beleuchtung und eine Reduzierung der Kühlanforderungen ein, die den Energieverbrauch spürbar verringern. EC-Technologien, die als die am meisten untersuchten chromogenen Systeme gelten, können im Vergleich zu herkömmlichen Fenstern eine signifikante Verbesserung der Energieeffizienz bieten.

Trotz der Vielseitigkeit und der Fortschritte in der Entwicklung von elektrochromen Fenstern gibt es noch Herausforderungen. Insbesondere müssen die Technologien weiter verfeinert werden, um die Haltbarkeit und Zuverlässigkeit zu maximieren und die Kosten für die Implementierung in größeren Maßstäben zu senken. Der langfristige Erfolg von EC-Systemen wird von der kontinuierlichen Forschung und Entwicklung abhängen, die darauf abzielt, eine möglichst effiziente und kostengünstige Anwendung in der Bauindustrie zu gewährleisten.

Wie moderne Technologien die Sicherheit und Nachhaltigkeit in städtischen Infrastrukturen verändern: Ein Blick auf intelligente Glaslösungen und ihre Anwendung

Die Technologie von dynamisch anpassbaren Fenstern, wie sie beispielsweise in den öffentlichen Toiletten von Tokio zum Einsatz kommt, stellt eine bemerkenswerte Innovation in der modernen Architektur und urbanen Gestaltung dar. Diese öffentlichen Einrichtungen, die von dem renommierten Architekten Shigeru Ban entworfen und von der Firma Daiwa House Industry Co., Ltd. (Japan) umgesetzt wurden, nutzen LC-Smartglas (Liquid Crystal Smart Glass), um ein höheres Maß an Sicherheit und Hygiene zu gewährleisten. Besonders bei den zentralen Parkanlagen Tokios wird dieses Glas eingesetzt, um sowohl die Sauberkeit als auch den Zustand der Toiletten auf eine äußerst benutzerfreundliche Weise anzuzeigen. Das besondere an dieser Technologie ist, dass der Zustand der Toilette – ob besetzt oder frei – einfach von außen überprüft werden kann. Wenn die Toilette in Gebrauch ist, wird das Glas durch eine elektronische Steuerung undurchsichtig, wodurch die Privatsphäre der Nutzer gewahrt bleibt. Bei unbenutzten Toiletten bleibt das Glas transparent und ermöglicht so eine schnelle visuelle Kontrolle.

Ein weiteres bemerkenswertes Merkmal dieser Toiletten ist ihre ästhetische Wirkung. Bei Nacht erleuchten die beleuchteten Toiletten den Park und wirken wie Laternen, die nicht nur funktionale, sondern auch visuelle Werte vermitteln. Diese Integration von Funktionalität und Design ist ein eindrucksvolles Beispiel dafür, wie moderne Technologie genutzt werden kann, um das tägliche Leben zu verbessern und gleichzeitig die öffentliche Infrastruktur auf innovative Weise zu gestalten.

Ein weiterer wichtiger Beitrag kommt von der Forschungsgruppe für angewandte Materialien und Elektrochemie (GAME Lab) an der Politecnico di Torino (Italien). Diese Gruppe hat sich mit der Entwicklung von Photovoltaik (PV) und multifunktionalen PECD (Photovoltaic Electrochromic Devices) befasst, wobei der Fokus auf der Entwicklung umweltfreundlicher Materialien liegt. Eine ihrer innovativen Entdeckungen war die Schaffung von Platinfreien PECD-Geräten, die Graphen-Nanoplatten und Kupfer-basierte Elektrolyte als Kontrastelektroden und Redox-Medien nutzen. Diese neuen Materialien adressieren nicht nur Korrosionsprobleme, die mit Iod-basierten Elektrolyten verbunden sind, sondern senken auch die Produktionskosten, ohne die optischen und elektrokatalytischen Eigenschaften des Geräts zu beeinträchtigen. Dies könnte den Weg für die breitere Anwendung von PECD-Systemen ebnen, die nicht nur im Bereich der Fenstertechnik, sondern auch in anderen Bereichen wie der Solarenergie und energieeffizienten Gebäuden von Bedeutung sind.

Die Forschung in den Bereichen elektrochromer und thermochromer Materialien sowie die Entwicklung von Smart-Window-Technologien ist also ein spannendes und dynamisches Feld, das immer mehr an Bedeutung gewinnt. Es zeigt, wie technische Innovationen nicht nur die Energieeffizienz von Gebäuden und Städten verbessern, sondern auch neue Möglichkeiten für die Gestaltung von urbanen Räumen eröffnen können. Diese Technologien bieten nicht nur funktionale Vorteile, sondern tragen auch zu einer ästhetischen und benutzerfreundlicheren Gestaltung des öffentlichen Raums bei. Insbesondere bei der Umsetzung von Smart Glass in urbanen Infrastrukturen wie öffentlichen Toiletten oder auch großen Glasfassaden kann die Technologie maßgeblich zur Verbesserung von Sicherheit, Komfort und Nachhaltigkeit beitragen.

Wie die Entwicklung von elektrochromen Fenstern die Zukunft der intelligenten Architektur beeinflusst

Die Technologie der elektrochromen Fenster hat in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte gemacht und wird zunehmend als eine vielversprechende Lösung für moderne Gebäude betrachtet, die sowohl funktionale als auch ästhetische Anforderungen erfüllen müssen. Diese Fenster kombinieren die Fähigkeit zur Farbveränderung mit der Funktionalität der Energieeinspeicherung, was sie zu einem zentralen Element der nachhaltigen Architektur macht.

Elektrochrome Materialien, wie etwa Wolframoxid (WO3) oder Nickeloxid (NiO), verändern ihre Farbe, wenn eine elektrische Spannung an sie angelegt wird. Diese Materialien sind die Grundlage für Fenster, die nicht nur ihre Transparenz anpassen können, sondern auch als Energiespeicher fungieren. Die Möglichkeiten dieser Technologie gehen über das bloße Design hinaus und bieten eine Vielzahl von praktischen Anwendungen, von der Reduzierung des Energieverbrauchs bis hin zur Verbesserung der Gebäudeästhetik.

Moderne elektrochrome Fenster funktionieren als „intelligente“ Komponenten, die auf unterschiedliche Umweltbedingungen reagieren. So können sie beispielsweise den Lichteinfall und die Wärmeübertragung anpassen, wodurch der Energieverbrauch für Heizung und Klimatisierung in einem Gebäude gesenkt wird. In Verbindung mit Speicherkapazitäten für elektrische Energie bieten diese Fenster die Möglichkeit, Energie zu speichern und bei Bedarf zu nutzen. Diese Technologien, die auch als „Smart Windows“ bekannt sind, könnten eine Schlüsselrolle bei der Schaffung von energieeffizienten und umweltfreundlichen Gebäuden spielen.

Die Herstellung dieser Fenster ist technologisch anspruchsvoll. Es werden dünne Filme aus elektrochromen Materialien auf Substrate wie Glas aufgebracht, wobei fortschrittliche Verfahren wie Sprühbeschichtung oder chemische Dampfabscheidung zum Einsatz kommen. Diese Filme müssen nicht nur optische Eigenschaften wie Transparenz und Farbsättigung aufweisen, sondern auch eine lange Lebensdauer und Widerstandsfähigkeit gegenüber Umwelteinflüssen bieten. Die Entwicklung dieser Materialien zielt darauf ab, die Funktionalität der Fenster mit der Notwendigkeit der Langzeitstabilität zu verbinden.

Ein wichtiger Aspekt bei der Herstellung von elektrochromen Fenstern ist die Stabilität der verwendeten Materialien. Materialien wie Wolframoxid neigen dazu, mit der Zeit zu degradieren, was ihre langfristige Nutzbarkeit einschränken könnte. Um diese Herausforderungen zu überwinden, wurde intensiver an der Entwicklung von stabileren und haltbareren Materialien gearbeitet. Ein bedeutender Fortschritt ist die Integration von Legierungen oder die Kombination von Wolframoxid mit anderen Metallen, wie etwa Titan, um die Lebensdauer der Fenster zu verlängern und gleichzeitig die elektrochrome Leistung zu optimieren.

Darüber hinaus wurde die Technologie der elektrochromen Fenster weiterentwickelt, um die Energieeffizienz zu maximieren. Neue Forschungsarbeiten haben gezeigt, dass durch die Integration von Energiespeichern in die Fenster auch die Möglichkeit geschaffen wird, überschüssige Energie zu speichern. Dies könnte eine neue Dimension für die Nutzung von solarer Energie in Gebäuden eröffnen, indem es ermöglicht, die erzeugte Energie effizient zu speichern und bei Bedarf abzurufen. Auch die Verwendung von Polymermaterialien hat in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen, da sie kostengünstiger und flexibler sind, was für die Herstellung großflächiger Fenster von Vorteil ist.

Es ist jedoch wichtig zu verstehen, dass die Entwicklung von elektrochromen Fenstern nicht nur eine Frage der Materialforschung und -entwicklung ist, sondern auch der praktischen Implementierung. Die Integration solcher Fenster in bestehende Gebäude und Infrastrukturen erfordert nicht nur technische Lösungen, sondern auch eine enge Zusammenarbeit zwischen Architekten, Ingenieuren und Herstellern. Dies ist besonders relevant, wenn es darum geht, die richtigen Materialien und Technologien für verschiedene Klimazonen oder spezifische Gebäudeanforderungen auszuwählen.

Die Technologie der elektrochromen Fenster steht an der Schwelle zu einem bedeutenden Durchbruch, nicht nur in der Architektur, sondern auch in der nachhaltigen Energieversorgung. Zukünftige Entwicklungen könnten es ermöglichen, dass diese Fenster nicht nur als passive Komponenten fungieren, sondern aktiv zur Energieerzeugung und -speicherung beitragen. Dies könnte den Weg für eine neue Generation von Gebäuden ebnen, die in der Lage sind, ihre eigenen Energiebedürfnisse zu decken und gleichzeitig den ökologischen Fußabdruck zu minimieren.

Die Integration elektrochromer Technologien in die Architektur wird künftig auch zunehmend durch die Notwendigkeit getrieben, den Energieverbrauch in städtischen Umgebungen zu reduzieren und die Emissionen von Treibhausgasen zu minimieren. In diesem Kontext können elektrochrome Fenster nicht nur zur Energieeinsparung beitragen, sondern auch als funktionale Teile eines größeren, intelligenteren Energienetzwerks agieren. Dies stellt eine vielversprechende Entwicklung für die kommenden Jahrzehnten dar, in denen nachhaltige Architektur und intelligente Städte immer mehr an Bedeutung gewinnen.

Elektrochromismus und seine Entwicklung: Ein Überblick über organische Materialien und ihre Anwendungen

In den letzten Jahren wurden neue kleine Moleküle mit interessanten Redoxaktivitäten und optischen Eigenschaften entwickelt, darunter Thiophen- und Furan-basierte Porphyrinoide, Triphenylamin-Derivate sowie Tetrathiafulvene und Dibenzofulven-Derivate. Diese Verbindungen zeigen nicht nur hohe optische Kontraste im sichtbaren Bereich, sondern auch eine bemerkenswerte Nahinfrarot (NIR)-Elektrochromie. Besonders hervorzuheben sind Dibenzofulven-Derivate, die aufgrund ihrer optisch induzierten Intervallenz-Übertragungen (IVCT) in einem breiten Spektrum eine Elektrochromie im NIR-Bereich aufweisen. Diese Eigenschaften machen sie besonders vielversprechend für die Entwicklung von Geräten und Technologien im Bereich der intelligenten Fenster.

Ein bemerkenswerter Aspekt von PB ist seine jahrhundertealte Verwendung in der Kunst, besonders durch berühmte Maler wie Van Gogh und Picasso. Das intensive Blau von PB wurde in vielen ikonischen Gemälden verwendet, etwa in „Sternennacht“ von Van Gogh oder „Der alte Gitarrist“ von Picasso. Diese ästhetische Bedeutung von PB zeigt, wie stark die optische Wirkung von Materialien unsere Wahrnehmung und Kultur beeinflussen kann. Auch in der Architektur, etwa bei der Restaurierung des Big Ben, hat PB eine bedeutende Rolle gespielt, um das historische Erscheinungsbild von Gebäuden zu bewahren.

Neben PB wurden zahlreiche andere Materialien mit elektrochromischen Eigenschaften entwickelt. Besonders hervorzuheben ist die Entwicklung von konjugierten Polymeren, die durch Manipulation ihrer optoelektronischen und redoxaktiven Eigenschaften tiefgehende Einblicke in den Ladungstransport und die elektrochemischen Mechanismen von organischen Molekülen bieten. Diese Entwicklungen fanden ihren Ursprung in den Arbeiten von John R. Reynolds und seinem Forschungsteam an der Georgia Institute of Technology, die in den letzten 40 Jahren wesentliche Beiträge zur Entwicklung von elektrochromischen Polymeren geleistet haben.

Ein weiteres bedeutendes Gebiet sind die organischen NIR-Materialien, die in der Lage sind, ihre Farbe im infraroten Bereich zu ändern, was sie für Anwendungen in intelligenten Fenstern und anderen Geräten besonders geeignet macht. Hierbei wird der Vorteil der kostengünstigen Herstellung von dünnen Schichten über Lösungen wie Tintenstrahldruck genutzt. Diese organischen Materialien eröffnen neue Möglichkeiten für die Herstellung flexibler, kostengünstiger und leistungsfähiger elektrochromischer Systeme.

Besondere Aufmerksamkeit verdienen auch die elektrochromischen Polymeren, die in der Lage sind, zwischen verschiedenen Farben zu wechseln. Diese Materialien ermöglichen eine präzise Steuerung der Farbänderung und bieten so eine breite Palette an Anwendungsmöglichkeiten in der Display-Technologie, wie etwa in „smarten“ Fensterverglasungen, die sich je nach Lichteinfall oder Temperaturbedingungen automatisch verdunkeln oder aufhellen.

Bei der Entwicklung und Anwendung von elektrochromischen Materialien müssen jedoch mehrere Faktoren berücksichtigt werden. Die chemischen Eigenschaften, wie etwa die Stabilität der Farbe und die Reversibilität der Farbumschaltung, sind entscheidend für die Langzeitnutzung. Ebenso spielen die physikalischen Eigenschaften wie die Leitfähigkeit und die Art der verwendeten Elektrolyte eine Rolle, da sie die Effizienz und Lebensdauer der Geräte beeinflussen. Die kontinuierliche Forschung in diesem Bereich zielt darauf ab, diese Materialien weiter zu verbessern, um ihre industrielle Nutzung zu optimieren.

Es ist von grundlegender Bedeutung, bei der Entwicklung und Anwendung elektrochromischer Materialien nicht nur auf deren Leistung zu achten, sondern auch auf ihre Umweltverträglichkeit. In den letzten Jahren wurde zunehmend erkannt, dass nachhaltige Materialwahl und die Minimierung der ökologischen Auswirkungen bei der Herstellung und Entsorgung von elektrochromischen Geräten eine wichtige Rolle spielen. Diese Überlegungen müssen Teil der Weiterentwicklung von Elektrochromismus und der damit verbundenen Technologien sein, um eine langfristige und umweltfreundliche Anwendung dieser vielversprechenden Materialien zu gewährleisten.

Wie beeinflussen Nanostrukturen die elektrochemische Kapazität von EC-Geräten?

Die Entwicklung elektrochromer (EC) Energiespeichergeräte hat durch die Verwendung nanostrukturierter Materialien und maßgeschneiderter Nanokrystalle einen bedeutenden Fortschritt gemacht. Besonders die Eigenschaften von WO3 (Wolframtrioxid) und anderen Metalloxiden wie MoO3 (Molybdäntrioxid) zeigen, wie durch Nanostrukturierung und Modifikation von Materialien die Effizienz von EC-Speichergeräten erheblich gesteigert werden kann. Diese Fortschritte beruhen auf einer präzisen Anpassung der Nanostruktur und der zugrunde liegenden elektrochemischen Prozesse.

Nanostrukturierte WO3-Nanokristalle, die entweder als feste Nanoröhren (SNRs) oder als längsgebogene W18O49-Nanoröhren (CNRs) vorliegen, wurden in verschiedenen Studien eingehend untersucht. Diese Nanostrukturen unterscheiden sich in ihrer Volumenstruktur, den Kristallparametern und der Verfügbarkeit von Oberflächen für elektrochemische Reaktionen. Die Untersuchung dieser beiden Nanostrukturarten hat gezeigt, dass ihre Form und Struktur einen direkten Einfluss auf die Li+-Zugänglichkeit im Inneren des Kristalls und die Li+-Adsorption an der Oberfläche haben. Insbesondere zeigte sich, dass die CNRs-basierte WO3-Elektrode bei einem Scanrate von 2 mV s−1 bemerkenswerte 84% der gesamten Ladung mit dem pseudokapazitiven Effekt verband, während für die SNRs-basierte Elektrode nur 44% der Gesamtladung diesem Effekt zugeschrieben werden konnte. Gleichzeitig konnte die SNRs-basierte Elektrode mehr Ladungskapazität aufnehmen. Dieser Unterschied lässt sich durch die unterschiedlichen Oberflächen- und Bulkstrukturen der beiden Nanostrukturen erklären.

Ein bemerkenswerter Fortschritt in der Herstellung von EC-Geräten war die Verwendung von MoO3 in einem Demonstrationsgerät, das aus einem großflächigen (8 × 8 cm²) MoO3-W0.71Mo0.29O3-Matrix in Kombination mit NiO bestand. Das resultierende smarte Fenster zeigte eine spezifische Kapazität von 2,33 mA h m−2 bei einer Stromdichte von 0,05 mA cm−1 und konnte eine LED für 10 Minuten nach dem Färben unter einer angelegten Spannung von −2,5 V betreiben.

Auf der Seite der organischen Materialien schlugen Forscher eine Kombination aus einem 25 nm dicken PANI als hochtransparentem anodischen Kapazitätsmaterial und verschiedenen EC-Polymeren wie PR-Br und Th-OR vor, die in einem Sandwich-Layout mit PMMA als Elektrolyt zwischen den beiden Elektroden aufgebaut wurden. Diese Geräte zeigten bistabile, dualfunktionale EC-Kapazitätseigenschaften mit einer optischen Kontrastmodulation von 51% (bei 580 nm) und einer Energie- und Leistungsdichte, die für das Ausbleichen und das Färben optimiert wurde.

Die Entwicklung von flexiblen EC-Superkondensatoren, die auf transparenten Metallgittern basieren, wurde ebenfalls untersucht, wobei Ag als transparent leitender Elektrodenträger anstelle von ITO verwendet wurde. Diese Gitter wurden mit einer Schicht aus PEDOT:PSS und WO3-Nanopartikeln beschichtet, um eine hervorragende Leistung zu erzielen. Solche flexiblen Systeme wiesen eine optische Modulation von etwa 80% auf, eine schnelle Umschaltzeit und eine hohe zyklische Stabilität.

Die Integration von Lithium-Ionen in diese elektrochromen Systeme und die Optimierung der Elektrolytformulierung haben die Modulation der Transmittanz auf bemerkenswerte 91% erhöht, was zu einer hohen Farbstoffeffizienz und einer stabilen Lade-/Entladekapazität führte. Solche Systeme ermöglichen eine Echtzeit-Ladeüberwachung durch Farbänderungen und bieten ein hohes Potenzial für flexible, transparente Energiespeichertechnologien.

Für den Leser ist es wichtig zu verstehen, dass die physikalischen Eigenschaften der Nanomaterialien und deren gezielte Modifikation direkt die Effizienz und Lebensdauer der EC-Geräte beeinflussen. Die Form und Struktur der Nanokristalle beeinflussen maßgeblich die Reaktionsgeschwindigkeit der Ionen und damit die Gesamtleistung der Geräte. Gleichzeitig sind die Herausforderungen in Bezug auf die Langzeitstabilität und die Ionendiffusion nicht zu unterschätzen, selbst bei vielversprechenden Materialien wie MoO3 oder flexiblen transparenten Systemen. Eine tiefere Auseinandersetzung mit den Materialeigenschaften und den elektrochemischen Prozessen ist unerlässlich, um die Entwicklung von EC-Geräten für praktische Anwendungen voranzutreiben.