WINSMART – Intelligent and Energy-Efficient Windows, Based on New Material Combinations

Laufzeit: Oktober 2012 - September 2016
Auftraggeber / Zuwendungsgeber:
European Union
Kooperationspartner: Danish Technological Institute, Eidgenössische Material- und Prüfanstalt, Universität von Ljubljana, Asahi Glass Europe, MicroShade, EControl-Glas, Scandia Windows
Projektfokus:
Photoelektrochromes System mit gesputterten Schichten aus Wolframoxid und Titanoxid im entfärbten Zustand (oben) und im gefärbten Zustand (unten).

Photoelektrochromes System mit gesputterten Schichten aus Wolframoxid und Titanoxid im entfärbten Zustand (oben) und im gefärbten Zustand (unten).

In dem von der Europäischen Union geförderten Projekt »Winsmart« werden Fenster entwickelt, welche die Energieeffizienz von Gebäuden verbessern. Ein Forschungsschwerpunkt ist die Entwicklung von Vakuum-Isolationsglas (VIG), bei dem der Zwischenraum zwischen zwei Glasscheiben evakuiert wird, wodurch eine exzellente Wärmedämmung auch bei einer sehr schlanken Verglasung erreicht werden kann. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Entwicklung von elektrochromen und photochromen Fenstern. Elektrochrome Fenster lassen sich durch Anlegen einer Spannung von transparent auf dunkel und zurück schalten. Ein Typus der hier untersuchten elektrochromen Fenster verwendet Redoxsalze in Elektrolyten und kann so einen starken Kontrast bei hoher Transmission im entfärbten Zustand erreichen. Die photochromen Fenster dunkeln unter Beleuchtung ein und hellen bei geringer Lichtintensität wieder auf.

Bei den photochromen Fenstern werden Komponenten aus elektrochromen Fenstern und Farbstoffsolarzellen kombiniert. Im Ergebnis erhält man eine poröse elektrochrome Wolframoxidschicht auf einer porösen Titanoxidschicht, deren Oberfläche mit einem Farbstoff belegt ist. Diese Schichten stehen in Verbindung mit einem Redoxelektrolyt, der Lithiumjodid und Lithiumtrijodid als Redoxsalz enthält. Unter Beleuchtung wird der Farbstoff angeregt, gibt Elektronen über das Titanoxid an das Wolframoxid ab und färbt dieses blau. Gleichzeitig werden Elektronen vom Lithiumjodid an den Farbstoff abgegeben und Lithium-Ionen wandern in die Wolframoxidschicht. Durch die Verbindung mit einer ca. 1 nm dünnen Katalysatorschicht kann das System wieder entfärbt werden. Photochrome Fenster wurden vom Fraunhofer ISE bereits vor mehr als zehn Jahren zum Patent angemeldet. Damals wurden die Schichten in einen chemischen Sol-Gel-Prozess hergestellt. Dem Fraunhofer ISE ist es gelungen, diese Schichten durch Sputtern, in einem PVD- Prozess (Physical Vapour Deposition), wie er in der Beschichtung von Fensterglas üblich ist, herzustellen. Eine Herausforderung war dabei eine ausreichende Porosität zu erreichen, die nicht nur eine schnelle Diffusion der beteiligten Ionen in den Schichten, sondern auch des Farbstoffs bei der Farbstoffadsorption erlaubt. Eine weitere Herausforderung war die optimale Einstellung der relevanten Schichteigenschaften, insbesondere des Redoxpotenzials des Wolframoxids und der Verlustströme, sowie der Oberflächenbeschaffenheit des Titanoxids für eine effiziente Farbstoffadsorption bei Schichtdicken unter 200 nm.