Elektrochrome Bauelemente

Elektrochrome Materialien verändern ihre optische Absorption in Abhängigkeit von ihrem elektrochemisch kontrollierbaren Redoxzustand. Dies macht man sich z.B. bei steuerbaren Gebäudefenstern oder Rückfahrspiegel in Kraftfahrtzeugen zu nutze. Allerdings können diese Materialien auch vorteilhaft in mikrooptischen Bauelementen eingesetzt werden.

In dem Bereich „mikooptische elektrochrome Bauelemente“ hat unsere Arbeitsgruppe eine Vorreiterrolle eingenommen: wir haben zunächst mit kommerziell erhältlichen polymeren Materialien (PEDOT-Derivate) und im Elektrolyten gelösten EC-Materialien (Phenazine, Viologene) dimmbare Neutralfilter wie auch Iriden entwickelt [1,2,3]. Allerdings zeigte sich, dass die wichtigen Parameter wie die Färbeeffizienz, der spektrale Kontrast und die Zeitkonstanten nicht gleichzeitig optimiert werden können [4], [5].

Daher haben wir in Kooperation mit Chemikern der Universität Osnabrück (Prof. M. Haase, Prof. L. Walder) und des Fraunhofer Instituts CAN in Hamburg (Dr. Ch. Gimmler, Dr. Th. Schotten) EC-Bauelemente mit mesoporösen EC-Hybridelektroden entwickelt. Bei diesen Festkörperelektroden werden EC-Moleküle an Nanopartikelschichten angebunden. Durch Wahl komplementärer Hybridelektroden (Viologen/TiO2 und TPB/ATO) mit angepasstem Kapazitätsbelag können inzwischen EC-Bauelemente mit sehr kurzen Schaltzeiten, hoher Färbeeffizienz und nahezu grauem Spektralverhalten entwickelt werden [6]. Zudem wurde der Walzendruck als alternative Methode zur Deposition der Nanopartikelschichten beim Projektpartner Saueressig Group (Dr. G. Jenke) etabliert, um das Rakeln abzulösen.

Auf Basis dieser Systeme wurden im Rahmen eines DFG-Transfer Projekts mehrstufige Iridien untersucht. Waren bisher die Iridenstufen durch schmale elektrisch isolierende Bereiche getrennt [4], [5], so konnte inzwischen ein Prozess etabliert werden, der es erlaubt, auch diese ringförmigen Bereiche vollständig zu färben [6]. Das Verfahren wurde inzwischen zum Patent eingereicht.

Im Rahmen des BMBF-Projektes „gradEC“ werden elektronisch steuerbare Gradientenfilter entwickelt und untersucht. Das Projekt wird in der Fördermaßnahme „Photonik-Plus – Neue optische Basistechnologien“ im Rahmen des Programms „Photonik Forschung Deutschland“ gefördert. Der Fokus liegt auf der Entwicklung von steuerbaren Gradientenfiltern, die zusammen mit der FA. Jos. Schneider Optische Werke GmbH (Dipl. Phys. M. Haag-Pichl) entwickelt werden. Unsere innovative Grundidee ist, die Arbeitselektroden mit mehreren radial angebrachten Kontakten zu versehen, um so eine nahezu beliebige Potentialverteilung auf der Arbeitselektrode vorgeben zu können. Dieser Ansatz ist im Bereich der EC-Bauelemente und selbst im Bereich elektrochemischer Zellen unseres Wissens nach noch nicht verfolgt worden: hier wurde Neuland betreten. Nach einer Vorstufe in Form eines 1D-Gradientenfilters [7] haben wir inzwischen 2D Gradientenfilter, deren Gradient in seiner Stärke, Schwerpunktposition und Richtung nahezu beliebig eingestellt werden kann [8]. So können in Zukunft bei fest vorgegebenen Kameraeinstellungen, die Lichtverhältnisse bei einer Kamerafahrt live angepasst werden oder schwierige Lichtverhältnisse korrigiert werden. Diese neuartigen Gradientenfilter werden inzwischen bei uns gefertigt und charakterisiert. Die physikalische Prozesskette, von der Potentialverteilung der Arbeitselektrode über das elektrochemische Redoxverhalten hin zum optischen Absorptionsverhalten konnte inzwischen theoretisch überzeugend beschrieben werden [9].

1. Non-mechanical variable apertures based on Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT);
    S. Roth, I. Ignatowitz, P. Müller, W. Mönch, E. Oesterschulze;
    Microelectron. Eng., 88 (8) 2349, 2011.

2. Micro-structured electrochromic device based on poly(3,4-ethylenedioxythiophene);
    T. Deutschmann, E. Oesterschulze;
    J. Micromech. Microeng. 23, 065032, 2013.

3. Integrated electrochromic iris device for low power and space-limited applications;
    T. Deutschmann, E. Oesterschulze,
    J. Opt., 16, 075301, 2014.

4. Depth of focus analysis of  optical systems using tunable aperture stops with a moderate level of
    adsorption;
    D. Pätz, T. Deutschmann, E. Oesterschulze, St. Sinzinger;
    Appl. Opt., 53 (28) 6508, 2014.

5. High contrast electrochromic iris;
    T. Deutschmann, E. Oesterschulze;
    Optics Express, 23 (24), 249835, 2015.

6. Complementary hybrid electrodes for high contrast electrochromic devices with fast response
    C. Kortz, A. Hein, M Ciobanu, L. Walder, E. Oesterschulze,
    Nature Communications 10:4874, 2019.

7. Tunable graduated filters based on electrochromic materials for spatial image control;
    A. Hein, C. Kortz, E. Oesterschulze;
    Scientific Reports, 9:15822, 2019.

8. Two-dimensional Spatial Image Control using an Electrochromic Graduated Filter with Multiple
    Electrode Configuration;
    A. Hein, N. Longen, C. Kortz, F. Carl, J. Klein, M. Haase, E. Oesterschulze;
    Sol. Ener. Mater. Sol. Cells, 2015:110549, 2020.

9. Electrochromic graduated filters with symmetric electrode configuration;
    A. Hein, N. Longen, F. Carl, J. Klein, M. Haase, R. Stoll, R. Warmers, G. Jenke, Ch. Gimmler,
    Th. Schotten; M. Haag-Pichl, E. Oesterschulze;
    Opt. Express, 28:11, 17047, 2020.