Kromogena ytbeläggningar för smarta fönster

Smarta fönster gör det möjligt att reglera mängden synligt ljus och solenergi som går igenom dem. Detta leder till en mycket bättre energieffektivitet i byggnader samtidigt som inomhuskomforten ökar. Vi arbetar huvudsakligen med två typer av kromogena material: elektrokroma (EC) skikt och anordningar, vilka tillåter elektrisk reglering, och termokroma (TC) skikt som ändrar sin genomskinlighet då temperaturen ändras.

Elektrokroma anordningar kan konstrueras på det sätt som figuren nedan visar. En typisk konstruktion använder två tunna ytbeläggningar (”filmer”) av EC-material, vilka förbinds av en jonledande elektrolyt. Då en elektrisk spänning läggs på mellan två transparenta elektriska kontakter kommer joner och kompenserande elektroner (via den yttre kretsen) att transporteras mellan EC-filmerna. Den ena av EC-filmerna skall mörkna när joner transporteras in i den av det pålagda elektriska fältet och den andra skall mörkna när jonerna dras ut. På så sätt mörknar och ljusnar bägge filmerna samtidigt i anordningen i figuren. I de flesta praktiska tillämpningar används volframoxid och nickeloxid som EC-skikt. Hela konstruktionen kan baseras på flexibla plastfolier (som framgår överst i vänstra delfiguren) som i sin tur kan användas för att laminera fönsterglas. År 2002 grundades företaget ChromoGenics AB som ett resultat av vår forskning på EC anordningar och fönster. Den tredje figuren nedan visar fullskaliga EC-fönster som sedan några år tillverkas och säljs kommersiellt av ChromoGenics AB.

Termokroma material kan bestå av tunna filmer eller nanopartiklar, i båda fallen baserade på vanadindioxid. TC-material förändrar sina optiska och elektriska egenskaper nära rumstemperatur. Ändringen sker i det nära infraröda vålängdsområdet och den synliga transmittansen påverkas endast i mindre grad. Figuren nedan visar schematiskt våglängdsberoende transmittans (genomskinlighet) och reflektans. Egenskaperna är mycket olika vid rumstemperatur (då materialet är halvledande) och vid högre temperatur (då materialet är metalliskt). Skikt av nanopartiklar har högre synlig transmittans och större variation i soltransmittans än homogena filmer (se den andra figuren). TC material är ännu inte kommersiella och står inför stora utmaningar som gäller uppnådd variation av solinstrålning samt hållbarhet.

Det övergripande syftet med vår verksamhet är att utveckla förbättrade EC- och TC-material och att tillverka förbättrade EC-anordningar (vilket betyder att även elektrolyter och genomskinliga elektriska ledare är av intresse). På senare år har vi fokuserat på hållbarhet hos EC-material under accelererad åldring vid elektrokemisk cykling mellan ljust och mörkt tillstånd. Vi har funnit att åldringskinetiken kan beskrivas med enkla matematiska samband, vilket öppnar möjligheten för livstidsuppskattningar hos EC anordningar. Elektrokemiska behandlingar av skikten kan ge en starkt förbättrad hållbarhet och kan också återställa åldrade filmer till nästan sina ursprungliga egenskaper. Vi söker nu att tillämpa dessa kunskaper på EC-anordningar.

Vår forskning innefattar tunnfilmsdeponering och karakterisering med fysikaliska och (elektro)kemiska tekniker, optiska mätningar samt utveckling av  anordningar. Vi håller på med både experiment och teori/datorberäkningar. Forskningen har utvecklats under många år och har hög profil internationellt.

Referenser: 
G.B. Smith and C.G. Granqvist, Green Nanotechnology: Solutions for Sustainability and Energy in the Built Environment, CRC Press, Boca Raton, USA.
G.A. Niklasson and C.G. Granqvist, J. Mater. Chem. 17 (2007) 127.
C.G. Granqvist, Thin Solid Films 564, 1 (2014).
S.-Y. Li, G.A. Niklasson, and C.G. Granqvist, J. Appl. Phys. 115 (2014) 053513.

Optiska egenskaper hos tunna filmer, nanopartiklar och kompositer ingår som en viktig del i många av våra tillämpade projekt om energieffektivitet och miljörelaterade tillämpningar. I synnerhet gäller att många material för tillämpningar i energieffektiva byggnader och inom solenergiområdet utnyttjar funktionella optiska egenskaper. Grundläggande studier av materialen behövs för att förstå och förbättra de optiska egenskaperna. Vi har ett förstklassigt optiskt mätlaboratorium med spektrofotometrar för ultraviolett, synligt och infrarött ljus, en spektroskopisk ellipsometer samt fotoluminescens-utrustning för mätningar till låga temperaturer. Instrumenten gör det också möjligt att mäta spektral och vinkelupplöst ljusspridning och innefattar flera detektorer av typen integrerande sfär. Vi deltar i internationella samarbetsprojekt med syftet att utveckla förbättrade mätmetoder för precisionsbestämning av optiska egenskaper. Dessutom har vi stor erfarenhet av att analysera optiska egenskaper hos tunna filmer och nanopartiklar, för att bestämma de grundläggande materialparametrar som bestämmer de optiska egenskaperna. Detta innefattar egen utveckling av mjukvara.

Ett antal projekt inom detta breda område sammanfattas nedan.

1. Bestämning av de optiska konstanterna hos tunna filmer av funktionella optiska material. Vi använder teorin för tunnfilmsoptik för att bestämma materialens komplexa brytningsindex från mätningar av transmittans och reflektans. Denna metodik används för att studera optiska egenskaper hos till exempel elektrokroma och termokroma tunna filmer, fotokatalytiska skikt av TiO₂ och transparenta elektriskt ledande oxidmaterial.
2. Vi bestämmer också effektiva optiska konstanter hos inhomogena material bestående av metalliska nanopartiklar i en oxidmatris samt använder effektiv-medium teori för att öka förståelsen för optiska fenomen i sådana material, som bland annat används inom det högaktuella området plasmonik. De är också av intresse som ytbeläggningar på solfångare för varmvattenproduktion eller lokaluppvärmning. Denna tillämpning behöver spektralt selektiva ytbeläggningar med hög solabsorption, samtidigt som deras utstrålning av värme måste vara låg. Detaljerad förståelse av dessa materials optiska egenskaper är viktig för att (a) optimera solabsorptionen och den termiska emittansen via beräkningar och (b) etablera vilka kemiska och strukturella ändringar som leder till degradering av de optiska egenskaperna vid höga temperaturer. En annan intressant frågeställning gäller färgade solfångarytor som kan integreras med modern arkitektur. Figuren nedan visar några exempel på optiska reflektansspektra för färgade ytor.

   

3. Ljusspridning bör undvikas i exempelvis ytbeläggningar på fönsterglas men kan i andra sammanhang ge ökad funktionalitet till ett material eller ett skikt. Under alla omständigheter är det viktigt att kunna karaktärisera och förstå fenomenet. Vi studerar framför allt ljusspridning från pigmentpartiklar som en komponent i inhomogena material. Vi har på senare tid utvecklat metoder för att karakterisera ljusspridande material genom att bestämma deras spridnings- och absorptionskefficienter från mätningar av direkt och diffus transmittans samt spekulär och diffus reflektans. Detta ”inversa problem” för ljusspridning är mycket komplicerat och våra nuvarande lösningar innehåller approximationer som behöver valideras. De material som vi studerar innefattar färgskikt för solfångare och ”kalla tak”, material för strålningskylning, material som kan växla mellan transparent och ljusspridande tillstånd samt solskyddskrämer. Ljusspridning kan också ge upphov till vackra ljuseffekter, vilket visas nedanför.

Referenser:
E. Wäckelgård, G.A. Niklasson and C.G. Granqvist: Selectively solar-absorbing coatings, in Solar Energy: The State of the Art. ISES Position Papers, edited by J. Gordon (James & James, London, 2001), Ch. 3, pp. 109-144.
J-X. Wang, C. Xu, A.M. Nilsson, D.L.A. Fernandes, M. Strömberg, J-F. Wang and G.A. Niklasson, Adv. Opt. Mater., 2018, 1801315