Das grundlegende Funktionsprinzip von elektrochromem Glas besteht darin, dass durch Anlegen einer winzigen Spannung die Ionen im Inneren des Glases in Bewegung versetzt werden, was zu reversiblen und stabilen Veränderungen der optischen Eigenschaften (Farbe und Transparenz) des Materials führt.
Detailliertes Arbeitsprinzip (Schritt-für-Analyse
Man kann es sich als eine sehr dünne und transparente „Batterie“ vorstellen, die beim Laden ihre Farbe ändert und beim Entladen wieder transparent wird.
1. Kernstruktur (Sandwichstruktur).
Ein typisches elektrochromes Glas besteht aus fünf Schichten funktionaler Filme, die zwischen zwei Glassubstraten sandgestrahlt sind:
Äußeres Glas: Substrat.
Transparente leitfähige Schicht (TCO): Typischerweise Indiumzinnoxid (ITO), dient als Elektrode zum Anlegen von Spannung.
Elektrochrome Schicht (EC-Schicht): Kernschicht, die elektrochrome Materialien (wie Wolframtrioxid WO₃) enthält. Wenn Ionen und Elektronen injiziert werden, ändert es seine Farbe (normalerweise wird es blau).
Ionenleiterschicht (Elektrolytschicht): Sie speichert Ionen (z. B. Li⁺) und lässt Ionen unter der Wirkung eines elektrischen Feldes passieren, isoliert jedoch Elektronen.
Ionenspeicherschicht (Gegenelektrodenschicht): Wenn die elektrochrome Schicht ihre Farbe ändert, muss sie Ionen bereitstellen oder aufnehmen, um das Ladungsgleichgewicht aufrechtzuerhalten, und hat normalerweise selbst komplementäre farbverändernde Eigenschaften-.
Transparente leitfähige Schicht (TCO): Die Elektrode auf der anderen Seite.
Äußeres Glas: Substrat.
Die Struktur wird vereinfacht als: Glas, leitfähige Schicht, elektrochrome Schicht, Ionenleiterschicht, Ionenspeicherschicht, leitfähige Schicht und Glas
2. Arbeitsprozess (Am Beispiel von Wolframtrioxid WO₃ und Lithiumionen Li⁺)
A. Färbung - Bei angelegter Spannung
Wenn an die transparenten leitfähigen Schichten auf beiden Seiten eine Gleichspannung (normalerweise sehr niedrig, 1–5 V) angelegt wird:
Antrieb durch elektrisches Feld: Das elektrische Feld treibt Lithiumionen (Li⁺) in der ionischen Leiterschicht dazu, sich in Richtung der elektrochromen Schicht (WO₃) zu bewegen.
Ionen- und Elektroneninjektion: Über einen externen Stromkreis werden inzwischen auch Elektronen (e⁻) in die elektrochrome Schicht injiziert.
Es kommt zu chemischen Reaktionen: In der elektrochromen Schicht gehen Ionen und Elektronen Reduktionsreaktionen (Interkalation) mit dem Material ein.
WO₃ (transparent) + xLi⁺ + xe⁻ ⇌ LixWO₃ (blau)
Verfärbung: Das Produkt LixWO₃ ist eine tiefblaue Verbindung, die sichtbares Licht absorbiert, wodurch die Farbe des Glases dunkler wird und seine Transparenz verringert wird. Währenddessen wird die Ionenspeicherschicht oxidiert und verliert Ionen, um das Ladungsgleichgewicht des gesamten Systems aufrechtzuerhalten.
B. Verblassen (Bleichen) -, wenn die Spannung umgekehrt oder getrennt wird
Wenn die Spannung umgekehrt oder kurz-geschlossen ist:
Prozessumkehr: Die Richtung des elektrischen Feldes ändert sich oder verschwindet, und Ionen und Elektronen werden aus der elektrochromen Schicht extrahiert und kehren zur Ionenleiterschicht und zur Ionenspeicherschicht zurück.
Es findet eine Rückreaktion statt: Die obige chemische Reaktion verläuft nach links, wobei LixWO₃ wieder in transparentes WO₃ zerfällt und Li⁺ und e⁻ freisetzt.
Transparenz wiederherstellen: Das Glas kehrt in einen Zustand hoher Transparenz zurück.
C. Memory-Effekt
Ein wesentlicher Vorteil von elektrochromem Glas besteht darin, dass es bistabile Eigenschaften hat. Sobald sich der verfärbte oder verblasste Zustand gebildet hat, kann er über einen langen Zeitraum (mehrere Stunden oder sogar Tage) aufrechterhalten werden, selbst wenn der Strom vollständig abgeschaltet wird. Denn die oben-erwähnte chemische Reaktion befindet sich in einem stabilen Zustand, wenn sie nicht durch ein externes elektrisches Feld angetrieben wird. Es verbraucht nur dann Strom, wenn es seinen Zustand ändern muss, was es sehr energieeffizient macht.
