Καινοτόμα νανοδομημένα ηλεκτροχρωμικά παράθυρα για έξυπνη διαχείριση του φωτισμού και της θερμότητας του χώρου

Abstract

The PhD Thesis entitled "Innovative nanostructured electrochromic windows for smart control of light and heat in indoor environments" represents a contribution to the field of applied physics and materials engineering, focusing on the development of sustainable technological solutions for the energy efficiency in buildings. The research is focused on the development, characterization, and application of electrochromic materials, particularly vanadium pentoxide (V2O5) and tungsten trioxide (WO3), to develop electrochromic windows that can dynamically control the passage of light and heat with the application of an electric field, contributing simultaneously to the energy savings and the improvement of comfort in a building. These materials were chosen due to their excellent electrochromic properties and their potential for development in thin films, which are crucial for the efficient operation of electrochromic devices. The aim was the understanding of the conditions that can lead to materials with optimum characteristics so that they can be employed to develop efficient electrochromic windows. Initially, the thesis defines the context and significance of the research, highlighting global environmental challenges and the need for the development of innovative materials and technologies that contribute to energy efficiency. The research work is part of the broader goal of sustainability and green energy, emphasizing the reduction of energy consumption in buildings, a significant sector of energy demand worldwide. In the context of the thesis, the methodologies and techniques used for the development of electrochromic materials are described, as well as the characterization methods used. The choice of the deposition techniques, including Chemical Vapor Deposition (CVD), Electron Spark Deposition (ESD), Magnetron Sputtering (MS), and Spray Pyrolysis Deposition (SPD), was evaluated based on their ability to result in high-quality, homogeneous thin films with controlled morphological and electrochemical properties. The Spray Pyrolysis technique was proved to be the best choice because of its ability to provide high-quality thin films at a relatively low cost, with ease of use, and reasonable deposition speed, as well as the capability to cover large areas, making it ideal for industrial applications. The selection of V2O5 and WO3 was explained based on their distinct electro-chromic properties, since they can offer dynamic control of transparency and color under the influence of an electric field. The detailed study and characterization of the produced V2O5 and WO3 films using techniques such as X-ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy, scanning electron microscopy (SEM), optical spectroscopy (UV-Vis), and electrochemical analysis, provided significant information on the structure, surface morphology, optical, and electrochemical properties of the materials. This analysis offered crucial insights into the functionality of electrochromic materials and the respective devices. This systematic approach allows understanding of the mechanisms affecting electrochromic performance and provides criteria for developing materials with improved properties for high-performance applications. A study was related to the analysis and characterization of a series of electrochromic materials based on WO3, developed using the magnetron sputtering technique under two different pressure conditions. The main purpose of this study was to extract additional characteristics and properties that contribute to an enhanced performance of the electrochromic materials with respect to other produced materials, targeting the understanding of the mechanisms that affect their electrochromic reactions. This study was aiming to highlight the characteristics that contributed to the improved response of these films and to what extent they can be included as key criteria for studying and improving the performance of materials produced by other deposition techniques. The most significant feature from this analysis was the effect of porosity on the active electrochemical surface and its correlation with the electrochromic performance of the films. The confirmation of the importance of the porosity for the electrochromic performance and the further enhancement of the results through Monte Carlo simulations allowed a comprehensive understanding of electrochromic materials, offering guidelines for their improvement. In the final stage of the research, the development and evaluation of electrochromic devices incorporating the developed V2O5 and WO3 films that were produced through the Spray Pyrolysis Deposition (SPD) technique were examined. The devices' performance was assessed based on parameters such as electrochromic response, speed of color change, lifetime, and energy efficiency. The design of the device considered the need for maximum light transmission and uniform voltage application. Moreover, the arrangement was designed such as to allow easy management and maintenance of the electrolyte, being protected at the same time regarding leaks. The systematic study and optimization of the device design parameters, including the choice of materials, the design of the arrangement, and the application of appropriate deposition techniques, demonstrate the potential of electrochromic technology to offer sustainable solutions for smart management of lighting and heating in buildings, aiming at energy saving. In conclusion, this PhD thesis highlights the importance of innovation in the field of electrochromic materials and devices, offering new perspectives and innovative solutions for the development of sustainable and energy-efficient technologies. The research combined advanced nanotechnology, materials engineering, and electrochemistry, providing a comprehensive framework for understanding and applying electrochromic materials in practical applications, with the goal of improving energy efficiency and addressing the energy and environmental challenges of the modern era.

Η διδακτορική διατριβή με τίτλο «Καινοτόμα νανοδομημένα ηλεκτροχρωμικά παράθυρα για έξυπνη διαχείριση του φωτισμού και της θερμότητας του χώρου» αντιπροσωπεύει μια συνεισφορά στον τομέα της εφαρμοσμένης φυσικής και της μηχανικής υλικών, με έμφαση στην ανάπτυξη βιώσιμων τεχνολογικών λύσεων για την ενεργειακή αποδοτικότητα κτιρίων. Η έρευνα επικεντρώνεται στην ανάπτυξη, τον χαρακτηρισμό, και την εφαρμογή ηλεκτροχρωμικών υλικών, ειδικότερα του πεντοξειδίου του βαναδίου (V2O5) και του τριοξειδίου του βολφραμίου (WO3), προκειμένου να αναπτυχθούν ηλεκτροχρωμικά παράθυρα που θα μπορούν να ρυθμίζουν δυναμικά τη διέλευση του φωτός και της θερμότητας υπό την επίδραση ενός ηλεκτρικού πεδίου, συμβάλλοντας ταυτόχρονα στην εξοικονόμηση ενέργειας και στη βελτίωση της άνεσης σε ένα κτιριακό χώρο. Αυτά τα υλικά επιλέχθηκαν λόγω των εξαιρετικών ηλεκτροχρωμικών τους ιδιοτήτων και της δυνατότητας εφαρμογής τους σε λεπτά υμένια, τα οποία είναι κρίσιμα για την αποδοτική λειτουργία των ηλεκτροχρωμικών συσκευών. Στόχος ήταν εξ αρχής ο προσδιορισμός των συνθηκών ανάπτυξης που οδηγούν σε υλικά με κατάλληλα χαρακτηριστικά ώστε να υποστηρίξουν την ανάπτυξη αποδοτικών ηλεκτροχρωμικών διατάξεων. Παράλληλα, η διατριβή καθορίζει το πλαίσιο και τη σημασία της έρευνας, επισημαίνοντας τις παγκόσμιες περιβαλλοντικές προκλήσεις και την ανάγκη για ανάπτυξη καινοτόμων υλικών και τεχνολογιών που συμβάλλουν στην ενεργειακή αποδοτικότητα. Η ερευνητική εργασία εντάσσεται στον ευρύτερο στόχο της βιωσιμότητας και της πράσινης ενέργειας, με έμφαση στη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας στα κτίρια, που αποτελούν σημαντικό τομέα ενεργειακής ζήτησης παγκοσμίως. Στο πλαίσιο της διατριβής, περιγράφονται οι μεθοδολογίες και οι τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν για την ανάπτυξη των ηλεκτροχρωμικών υλικών, καθώς και για τον χαρακτηρισμό τους. Η επιλογή των τεχνικών εναπόθεσης, που περιλαμβάνουν την χημική εναπόθεση με ατμούς (CVD), την εναπόθεση με ηλεκτρικούς σπινθήρες (ESD), την ιοντοβολή με χρήση μάγνετρου (Magnetron Sputtering - MS), και την τεχνική της εναπόθεσης του ψεκασμού με πυρόλυση (Spray Pyrolysis Deposition - SPD), αξιολογήθηκαν με βάση την ικανότητά τους να παράγουν υψηλής ποιότητας, ομοιογενή λεπτά υμένια με ελεγχόμενες μορφολογικές και ηλεκτροχημικές ιδιότητες. Η Spray Pyrolysis τεχνική ξεχώρισε για την ικανότητά της να παρέχει υψηλής ποιότητας λεπτά υμένια με σχετικά χαμηλό κόστος, ευκολία χρήσης, και ταχύτητα εναπόθεσης, καθώς και τη δυνατότητα κάλυψης μεγάλων επιφανειών, κάνοντας την ιδανική για βιομηχανικές εφαρμογές. Η επιλογή των υλικών V2O5 και WO3 εξηγείται μέσα από τις ξεχωριστές ηλεκτροχρωμικές τους ιδιότητες που παρουσίασαν, προσφέροντας δυναμική ρύθμιση της διαφάνειας και του χρώματος υπό την επίδραση ενός ηλεκτρικού πεδίου. Η αναλυτική μελέτη και ο χαρακτηρισμός των παραγόμενων V2O5 και WO3 υμενίων μέσω τεχνικών όπως η περιθλασιμετρία ακτίνων-X (XRD), η φασματοσκοπία Raman, η ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM), η οπτική φασματοσκοπία (UV-Vis), η ηλεκτροχημική ανάλυση και η οπτική ανάλυση, παρέχουν σημαντικές πληροφορίες για τη δομή, την επιφανειακή μορφολογία, τις οπτικές και ηλεκτροχημικές ιδιότητες των υλικών. Μέσω αυτής της ανάλυσης έγιναν διαθέσιμες σημαντικές πληροφορίες για τη λειτουργικότητα των σχετικών ηλεκτροχρωμικών υλικών αλλά και των συσκευών που αναπτύχθηκαν από αυτά. Η συστηματική αυτή προσέγγιση επέτρεψε την κατανόηση των μηχανισμών που επηρεάζουν την ηλεκτροχρωμική απόδοση και έδωσε κριτήρια για την ανάπτυξη υλικών με βελτιωμένες ιδιότητες για εφαρμογές υψηλής απόδοσης. Μία άλλη παράλληλη μελέτη που έλαβε μέρος ήταν, η πιο εκτεταμένη ανάλυση και ο χαρακτηρισμός μιας σειράς ηλεκτροχρωμικών υλικών με WO3, τα οποία παράχθηκαν μέσω της τεχνικής magnetron sputtering σε δύο διαφορετικές συνθήκες πίεσης. Ο κύριος σκοπός αυτής της μελέτης ήταν η εξαγωγή επιπρόσθετων χαρακτηριστικών και ιδιοτήτων που συντελούν στην βελτιωμένη απόδοση των εξεταζόμενων ηλεκτροχρωμικών υλικών έναντι των άλλων υλικών που παράχθηκαν, με τελικό στόχο την κατανόηση των μηχανισμών που διαμορφώνουν τις ηλεκτροχρωμικές τους αντιδράσεις. Αυτή η μελέτη στοχεύει να αναδείξει τα χαρακτηριστικά που συντέλεσαν στην βελτιωμένη απόκριση αυτών των υμενίων και κατά πόσο μπορούν να συμπεριληφθούν ως βασικά κριτήρια μελέτης και βελτίωσης της απόδοσης των υλικών που παρασκευάζονται με άλλες τεχνικές εναπόθεσης. Το σημαντικότερο χαρακτηριστικό που εξάχθηκε από αυτήν την ανάλυση ήταν η επίδραση της πορώδους δομής στην ενεργή ηλεκτροχημική επιφάνεια και η συσχέτισή της με την ηλεκτροχρωμική απόδοση των υμενίων. Η επιβεβαίωση της σημασίας της πορώδους δομής για την ηλεκτροχρωμική απόδοση και η περαιτέρω ενίσχυση των αποτελεσμάτων μέσω προσομοιώσεων Monte Carlo επέτρεψαν μια ολοκληρωμένη κατανόηση των ηλεκτροχρωμικών υλικών, προσφέροντας οδηγίες για τη βελτίωση τους. Στο τελευταίο στάδιο της έρευνας σε αυτήν την διατριβή, εξετάστηκε η ανάπτυξη και η αξιολόγηση ηλεκτροχρωμικών συσκευών, όπου ενσωματώθηκαν τα υμένια V2O5 και WO3 που παράχθηκαν μέσω της SPD τεχνικής. Η απόδοση της συσκευής αξιολογήθηκε με βάση παραμέτρους όπως η ηλεκτροχρωμική απόκριση, η ταχύτητα αλλαγής χρώματος, η διάρκεια ζωής, και η ενεργειακή αποδοτικότητα. Ο σχεδιασμός της διάταξης έλαβε υπόψη την ανάγκη για μέγιστη διέλευση φωτός και την ομοιόμορφη εφαρμογή της τάσης. Η διάταξη έπρεπε να σχεδιαστεί έτσι ώστε να επιτρέπει την εύκολη διαχείριση και συντήρηση του ηλεκτρολύτη, ενώ παράλληλα να προστατεύεται από διαρροές. Η συστηματική μελέτη και η βελτιστοποίηση των παραμέτρων σχεδιασμού της συσκευής, συμπεριλαμβανομένης της επιλογής των υλικών, του σχεδιασμού της διάταξης, και της εφαρμογής των κατάλληλων τεχνικών εναπόθεσης, κατέδειξε τη δυνατότητα της ηλεκτροχρωμικής τεχνολογίας να προσφέρει βιώσιμες λύσεις για την έξυπνη διαχείριση του φωτισμού και της θερμότητας στα κτίρια, με στόχο την εξοικονόμηση ενέργειας. Συμπερασματικά, η παρούσα διδακτορική διατριβή ανέδειξε τη σημασία της καινοτομίας στον τομέα των ηλεκτροχρωμικών υλικών και διατάξεων, προσφέροντας νέες προοπτικές και καινοτόμες λύσεις για την ανάπτυξη βιώσιμων και ενεργειακά αποδοτικών τεχνολογιών. Η έρευνα συνδυάζει την προηγμένη νανοτεχνολογία, τη μηχανική υλικών, και την ηλεκτροχημεία, παρέχοντας έναν ολοκληρωμένο πλαίσιο για την κατανόηση και την εφαρμογή των ηλεκτροχρωμικών υλικών σε πρακτικές εφαρμογές, με σκοπό τη βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης και την αντιμετώπιση των ενεργειακών και περιβαλλοντικών προκλήσεων της σύγχρονης εποχής.