Projekt 22986/01

Neue elektrisch schaltbare Werkstoffe für den Einsatz in Energie sparender Verglasung

Projektdurchführung

GESIMAT GmbH
Köpenicker Str. 325
12555 Berlin

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel des Vorhabens war die Entwicklung neuer elektrisch schaltbarer Polymerer auf der Basis von Polypyrrol- und Polythiophen-Derivaten für die Anwendung in intelligenten elektrochromen Fenstern zur automatischen Steuerung des Licht- und Wärmedurchgangs. Die umweltrelevante Wirkung der Gebäudeverglasung betrifft die energetischen Aufwendungen für Heizwärme, Kühlung und künstliche Beleuchtung. Durch den Einsatz derart adaptiv schaltbarer Verglasungen ist der Energieverbrauch von Gebäuden mit großflächig verglasten Fassaden um mehr als 50% reduzierbar. Die bisher in die Verglasungstechnik eingeführten permanent getönten Scheiben können weder die jahreszeitlichen noch Tagesschwankungen der Einstrahlung von Sonnenenergie berücksichtigen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDer Arbeitsplan des Projektes umfasste den Aufbau neuer polymerisationsfähiger Pyrrol- und Thiophen-Derivate beim Kooperationspartner IDM, sowie seitens GESIMAT deren großflächige elektrochemische Abscheidung auf leitfähig beschichtetem Glas aus wässriger Lösung und die Verarbeitung der beschichteten Gläser zu neuen innovativen Modellen intelligenter elektrochromer Fenster. Der Kooperationspart-ner orientierte die Synthesearbeiten auf kostengünstige Verfahren mit guten Ausbeuten an Monomeren sowie auf deren hinreichende Wasserlöslichkeit. Beim Antragsteller erfolgte dann die Untersuchung der Abscheidbarkeit dünner Schichten elektrisch leitfähiger Polymerer auf mit ITO-beschichtetem Glas durch Elektropolymerisation. Die elektrochromen Eigenschaften dieser Schichten wurden hinsichtlich Schaltge-schwindigkeit, Veränderungen der Transmissionsspektren für elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen 380 und 1100 nm (sichtbares Licht und naher Infrarotbereich), elektrische Spannung, Ladung und Energie sowie Reversibilität der Schaltvorgänge untersucht. Geeignete Kombinationen anodisch und katodisch elektrochromer Schichten auf ITO/Glas waren dann auf Laminierbarkeit mit leitfähig modifiziertem Polyvinylbutyral zu elektrochromen Verbundsicherheitsglas (VSG) zu untersuchen. Die Eigenschaften derartiger Modelle für elektrochromes VSG-Glas waren zu charakterisieren, wobei neben den prinzipiellen Schalteigenschaften auch die Langzeitstabilität unter verschiedenen Bewitterungseinflüssen gewährleistet werden muss (Stabilität gegen UV-Einflüsse, extreme Temperaturwechsel, Feuchtigkeit). Für diese Bedingungen waren Materialien für die Abdichtung der elektrochromen VSG-Gläser auszuwählen. Für geeignete Modelle elektrochromer VSG-Gläser war die Maßstabsvergrößerung zwecks großflächiger Fertigung derselben durch Elektropolymerisation und Laminierung im Autoklaven- oder Vakuumverfahren zu erarbeiten.


Ergebnisse und Diskussion

Es wurden 11 verschiedene Monomere auf Thiophen- und Pyrrolbasis synthetisiert. Von 7 Substanzen wurden jeweils durch Elektropolymerisation schaltbare elektrochrome Filme erzeugt. 3 Monomere wur-den noch nicht untersucht. Ein Monomer (EDOP) war aufgrund seiner Instabilität nicht weiter verwertbar. Die 7 elektropolymerisierten Substanzen wurden sowohl direkt untersucht, als auch in Kombination mit anderen Partnersubstanzen zu elektrochromen Elementen verarbeitet, welche auf ihre elektrochromen Eigenschaften hin untersucht wurden.
Es zeigte sich, dass sich diese Eigenschaften z. T. stark unterscheiden. EDOP-Derivate sind zwar elektrochrom, stellten sich als nicht geeignet für den Einsatz in schaltbaren Verglasungen heraus, da sie einen zu geringen Färbungswirkungsgrad und Schalthub sowie keinen entfärbten Zustand aufweisen.
Das Thiophen-Derivat Poly-DMProDOT ist dagegen von seinen elektrochromen Parametern her für schaltbare Verglasungen im Wesentlichen geeignet. Insbesondere hat es in geeigneter Kombination in einem elektrochromen Element einen Färbungswirkungsgrad, der um den Faktor 8,5 über den jetzt bei Gesimat verwendeten anorganischen Materialkombinationen liegt.
Dieses Material wurde daher weiter bearbeitet in Hinsicht auf Optimierung der Abscheidungsbedingungen, Hochskalierung der Abscheidung und Verbesserung der Laminierung elektrochromer Elemente. Auch Untersuchungen zur Stabilität und Kontrolle eines stufenlosen Schaltregimes wurden durchgeführt.
Es konnten sehr gut schaltende elektrochrome Elemente bis zum Format 10 cm x 20 cm und zufriedenstellend schaltende Muster bis zum Format 30 cm x 50 hergestellt werden. Es konnte weiterhin gezeigt werden, dass die Schichtabscheidung bis zum Format 120 cm x 80 cm möglich ist. Allerdings war die erreichte Qualität noch nicht zufriedenstellend, so dass von diesem Format keine vorzeigbaren schaltbaren elektrochromen Elemente hergestellt werden konnten.
Obwohl das Poly-DM-ProDOT schon sehr gute elektrochrome Eigenschaften aufweist, sind einige seiner Parameter noch nicht optimal. Das betrifft z. B. die violette Farbe des getönten Zustands, welche sicher nicht für jede Anwendung in schaltbaren Gebäudeverglasungen ideal ist. Außerdem hat der entfärbte Zu-stand einen leichten Blauton. Wenn man die Poly-DM-ProDOT-Schicht so dünn macht, dass dieser Blauton nicht mehr sichtbar ist, ist die erreichbare Farbtiefe im gefärbten Zustand etwas zu gering. Macht man die Polymerschicht so dick, dass ein elektrochromes Element im gefärbten Zustand sehr tief eingefärbt ist, erkennt man eine deutliche hellblaue Färbung im hellen Zustand des elektrochromen Elementes. - An dieser Stelle gibt also für zukünftige Entwicklungen weiteren Optimierungsbedarf.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Teilergebnisse des Projektes wurden bisher auf einer Tagung (Polydays 4.-6.10.2006 in Berlin) und in ei-nem wissenschaftlichen Fachartikel unter dem Titel Electrodeposition and electrochromic properties of N-ethyl substituted poly(3,4,-ethylenedioxypyrrol) in der Zeitschrift Electrochimica Acta 52 (2007) 5856-5862 veröffentlicht. Die Veröffentlichung weiterer Resultate ist in naher Zukunft geplant.


Fazit

Im Rahmen des Projektes wurden zahlreiche leitfähige Polymere hergestellt und auf ihre Einsetzbarkeit in elektrochromen Verglasungen hin untersucht. Eine Substanz wurde identifiziert, die vergleichsweise sehr gute elektrochrome Eigenschaften aufweist, insbesondere hinsichtlich ihres Färbungswirkungsgrades. Mit diesem Material erfolgten weitere technologische Schritte, wie Maßstabstübertragung von Monomersynthese in den 100 g-Bereich und elektrochemischer Abscheidung in den qm-Maßstab, sowie der Bau und Test einer Vielzahl elektrochromer Elemente