Möglichkeiten zur Verwirklichung schaltbarer Fensterscheiben

Möglichkeiten zur Verwirklichung schaltbarer Fensterscheiben
Jörg Nowoczin, Universität des Saarlandes, Lehrstuhl für Pulvertechnologie von Glas
und Keramik, Prof. Dr. R. Clasen in Zusammenarbeit mit Dr. H. Schmitt, Technische
Physik, Im Stadtwald (Geb. 38), 66123 Saarbrücken
Die Idee der passiven Sonnenenergienutzung beruht darauf, die natürliche
Sonneneinstrahlung bei der Beheizung von Gebäuden mit zu nutzen. Hierbei kann es
bei hoher Einstrahlung zu einer zu starken Erwärmung kommen. Für diesen Fall muß
man Vorsorge-Maßnahmen treffen. Die herkömmlichen Methoden, wie Jalousien oder
Vorhänge sind nicht sehr komfortabel. Fensterscheiben, die in ihren optischen
Eigenschaften schaltbar sind wären wesentlich günstiger. Deshalb beschäftigen wir uns
in unserer Arbeitsgruppe mit elektrochromen Schichten, die sich durch Anlegen einer
Spannung in ihren optischen Eigenschaften manipulieren lassen. Für uns kommen
hierfür zwei Arten von Materialien in Betracht: die Hydride der seltenen Erden und die
Übergangsmetalloxide. Die gewünschte Änderung
geschieht durch Ein- bzw.
Auslagerung von Ionen, im Fall der Übergangsmetalloxide von Wasserstoff oder
Alkalimetallen, in der Regel Lithium, bei den seltenen Erden von Wasserstoff.
Elektrochrome Schichten könnten Anwendung in sogenannten „Smart Windows“ finden,
deren schematischer Aufbau in Abbildung 1 dargestellt ist. In einem Ionenspeicher
können z.B. H+-Ionen gespeichert werden, die durch eine, zwischen zwei optisch
transparenten elektronischen Leitern angelegte, Spannung über einen Ionenleiter in die
elektrochrome Schicht gelangen.
Ionenspeicher
elektrochrome Schicht
transparenter Leiter
transparenter Leiter
Ionenleiter
Glas
Glas
+
_
Abbildung 1
Metallhydride
Seltene Erden bilden durch chemische Reaktion mit Wasserstoff Hydride. In dünnen
Yttrium-Schichten konnte Wasserstoff eingelagert und so metallisches Yttrium
kontinuierlich in Yttriumhydrid überführt werden. Dies ist zuvor bei Volumenproben nicht
gelungen, da diese beim Versuch der Beladung pulverisiert wurden. Es zeigt sich, daß
die zuvor metallischen Proben beim Übergang von Yttrium über YH2 nach YH3-δ optisch
transparent werden und eine starke Abnahme in der elektrischen Leitfähigkeit zeigen.
Die Beladung kann sowohl elektrolytisch als auch katalytisch in einer
Wasserstoffatmosphäre geschehen. Die Reaktion läuft nach folgendem Schema ab:
Y → YH2 ↔ YH3-δ
Hierbei ist nur die Reaktion vom Yttriumdihydrid zum Yttriumtrihydrid reversibel. Es ist
also denkbar eine Schicht herzustellen, die in einem schaltbaren Fenster mittels einer
elektrischen Spannung vom reflektierenden (YH2) in den transparenten Zustand (YH3-δ)
überführt werden kann.
Übergangsmetalloxide
In Übergangsmetalloxiden können sowohl Wasserstoffionen als auch Alkalimetalle, wie
Lithium oder Natrium, eingelagert werden. Die Kristallstruktur bleibt, im Gegensatz zu
den Metallhydriden, bei der sogenannten Interkalation weitestgehend erhalten. Diese
Interkalation bewirkt eine Änderung der Oxidationsstufe der Übergangangsmetalle und
der elektronischen Bandstruktur was zu einer Modifikation der Leitfähigkeit und der
optischen Eigenschaften führt.
Man unterscheidet zwischen kathodischen und
anodischen elektrochromen Übergangsmetalloxiden. Die kathodischen sind im
Ausgangszustand optisch transparent und werden durch Interkalation von Ionen
absorbierend bzw. reflektierend, während die anodischen vom absorbierenden Zustand
in den transparenten Zustand übergehen. In der Anordnung gemäß Abbildung 1 könnte
man also den Ionenspeicher durch eine elektrochrome Schicht mit entgegengesetzten
Eigenschaften ersetzen, um eine effektivere Einfärbung zu erreichen.
Wir beschäftigen uns speziell mit Wolframoxid WO3, einem kathodisch elektrochromen
Übergangsmetall. Es sollen amorphe bzw. nanokristalline WO3-Schichten hergestellt
werden, die sich schneller mit Ionen beladen lassen als kristalline Schichten. Durch den
Einbau von Molybdän soll eine weitere Verzerrung des Kristallgitters erreicht werden,
um noch schneller Ionen einlagern zu können.
Ein neueres Modell geht davon aus, daß in WO3-y das Wolfram hauptsächlich als W 4+
und W 6+ vorliegt. Während der Einlagerung der Ionen gehen einige W 6+ in W5+ über.
Durch sogenannte Small-Polaron-Übergänge zwischen Atomen der Oxidationsstufen
W6+ und W 5+ sowie W 5+ und W 4+ kommt es dann zur Absorption von Licht.
Die Schichten werden durch reaktives Sputtern hergestellt. Ein Wolfram-Target und ein
Substrat befinden sich in einer Kammer die mit Argon und Sauerstoff gefüllt ist. Wenn
man zwischen Target und Substrat eine Spannung anlegt werden durch Argon-Ionen
einige Atome aus dem Target herausgelöst und reagieren dann mit Sauerstoff zu
Wolframoxid, welches sich auf der Substratoberfläche anlagert. Mit Hilfe verschiedener
Parameter, wie Gesamtdruck, Sauerstoffpartialdruck und Substrattemperatur, kann man
die Eigenschaften der Schichten beeinflussen. Zur Untersuchung der Kristallstruktur der
Schichten wird Röntgenstreuung benutzt. Lithium-Interkalation erfolgt elektrolytisch in
Lithiumperchloratlösung in Propylencarbonat. Die Interkalation von Wasserstoff
geschieht durch die sogenannte „Spill Over“-Methode, bei der die Schichten dünn mit
Platin oder Palladium überzogen werden und dann in einer Wasserstoffatmosphäre,
abhängig vom Druck, beladen werden. Hierbei kann die Änderung der Struktur während
der Einlagerung mit Hilfe von IR-Absorptionsspektren beobachtet werden. Außerdem
soll die Absorption und die Leitfähigkeit der Schichten in Abhängigkeit von der Beladung
der Schichten untersucht werden.
Im weiteren Verlauf der Arbeit soll der Versuch unternommen werden, WO3-Schichten
mit Metallhydriden zu kombinieren. Das Metallhydrid würde dann in Abbildung 1 die
Position des Ionenspeichers übernehmen und das Wolframoxid die der elektrochromen
Schicht. Der Vorteil wäre, daß die Metallhydridschicht im nichttransparenten Zustand
reflektierend ist und es so zu einer geringeren Erwärmung der Schichten kommt, wenn
sich das Metallhydrid auf der Seite der Sonneneinstrahlung befindet.