Alexander Kraft und Matthias Rottmann

Abbildung 1: Schaltung eines automatisch abblendbaren Autorückspiegels

Das Gebiet der Elektrochromie ist ein faszinierender Zweig der Elektrochemie, der sich mit den durch elektrochemische Oxidation oder Reduktion ausgelösten Farbveränderungen von chemischen Verbindungen befasst [1]. Die Elektrochromie kann dazu genutzt werden, die Lichttransmission oder -reflexion von Objekten gezielt zu steuern. Wie ein Chamäleon können sie ihre Farbe ändern. Die erste große Anwendung, die technisch erfolgreich realisiert wurde, ist der automatisch abblendbare Autospiegel.

In der Zukunft werden auf Elektrochromie-Effekten beruhende intelligente Gebäudefassaden und Autoverglasungen mit variabel einstellbarer Lichtdurchlässigkeit zum Alltag gehören.

Abbildung 2: Versuchsweise mit intelligenten elektrochromen Fenstern (links eingefärbt, rechts entfärbt) ausgestatteter Raum

Das moderne Gebiet der Elektrochromie-Forschung entstand, nachdem S.K.Deb Ende der 1960er Jahre beschrieben hatte, dass dünne Filme von Molybdän- oder Wolframtrioxid elektrochemisch zu farbintensivem Wolfram- oder Molybdänblau reduziert und auch elektrochemisch wieder zu einem weitgehend ungefärbten Zustand zurückoxidiert werden können.

Wolframoxid ist bis heute das populärste elektrochrome Material geblieben. Das in dünner Schicht weitgehend ungefärbte WO₃ wird durch elektrochemische Reduktion bei gleichzeitigem Einbau eines ladungsneutralierenden Kations M (z.B. H⁺, Li⁺, K⁺) blau gefärbt und bei Umkehrung dieses Vorgangs wieder entfärbt:

Neben WO₃ und MoO₃ gibt es eine Vielzahl weiterer Übergangsmetalloxidverbindungen, die in der Form dünner Filme nutzbare elektrochrome Effekte zeigen (z.B. IrO₂, NiO, Nb₂O₅).

Anorganische Komplexverbindungen vom Typ des Eisenhexacyanoferrat (Preussisch Blau) können ebenfalls elektrochemisch reversibel zwischen mehreren verschieden gefärbten Oxidationsstufen "geschaltet" werden. Das Preussisch Blau hat konkret 3 unterschiedlich gefärbte Oxidationszustände: farblos, blau und grün.

Bei einer Vielzahl leitfähiger organischer Polymere ist die reversible elektrochemische Oxidation und Reduktion oft von einer sehr starken Änderung der optischen Eigenschaften begleitet. Dazu gehören u.a. Polypyrrol, Polyanilin, Polythiophene und eine Vielzahl von Derivaten dieser Polymere.
Das am intensivsten untersuchte elektrochrome leitfähige Polymer ist das Polyanilin. Es besitzt einen nahezu ungefärbten reduzierten, einen mittleren grün und einen blau bis violett gefärbten dritten Oxidationszustand (Siehe Schema 1).

Schema 1: Die 3 verschieden gefärbten Oxidationszustände des Polyanilin

3,4-Polyethylendioxythiophen (PEDOT) wird von der Bayer AG unter dem Markennamen Baytron^® auch kommerziell als elektrochromes leitfähiges Polymer angeboten [2]. Es zeichnet sich gegenüber den oben genannten organischen Substanzen durch einen wesentlich höheren Färbungswirkungsgrad aus. In den letzten Jahren wurde eine Vielzahl von dem PEDOT ähnlichen Substanzen mit noch höheren Färbungswirkungsgraden und entwickelt [3]. Abbildung 3 zeigt verschiedene elektrochrome Polymere aus diesen Stoffklassen und die Farben, zwischen denen sie elektrochemisch geschaltet werden können.

Abbildung 3: Auswahl elektrochromer leitfähiger Polymere mit den Farben der elektrochemisch schaltbaren Oxidationszustände (nach [3], Reprinted with permission from Chemistry of Materials 12 (2000) 1563-1571. Copyright 2000 American Chemical Society.)

Auch in Lösung befindliche chemische Verbindungen können unterschiedliche Farben in verschiedenen Oxidationsstufen zeigen, also elektrochrom auftreten. Besonders ausgeprägt ist dieser Effekt in der Stoffgruppe der sogenannten Viologene (Bipyridinium-Salze, siehe Schema 2).
Diese bilden auch die Basis des bisher einzigen kommerziell erfolgreichen Produktes auf Basis der Elektrochromie, der automatisch abdunkelnden Autorückspiegel der Gentex Corporation (USA) [4].

Schema 2: Elektrochromie von Viologenderivaten

Aber auch gelöste anorganische Verbindungen wie verschiedene Polyoxometallate des Wolframs oder Molybdäns zeigen eine ausgeprägte Elektrochromie.

Es wird auch versucht, die elektrochemische Abscheidung und Wiederauflösung von Metallfilmen (z.B. aus Silber oder Wismut) aus einer Lösung ihrer Salze zur gezielten Steuerung insbesondere von Reflektionseigenschaften einzusetzen.

Um sich elektrochrome Effekte in festen Filmmaterialien oder bei gelösten Substanzen technologisch nutzbar machen zu können, müssen geeignete elektrochemische Zellen konstruiert werden. Diese werden auch als elektrochrome Elemente bezeichnet. Es gibt 4 Grundtypen elektrochromer Anordnungen (Abbildung 4).

Abbildung 4: Die 4 Grundtypen elektrochromer Elemente. EC1 ist die erste elektrochrome Verbindung, EC2 die zweite redoxaktive und vorteilhafterweise auch elektrochrome Verbindung (nach [1])

Weitere Abwandlungen dieser 4 Grundtypen sind natürlich möglich. Bei Verwendung von Typ 1 hat das elektrochrome Element ein batterieähnliches elektrisches Verhalten [5]. Es muss nur zum Schalten, also zur Farbänderung ein Strom fließen. Wird die Spannungsquelle abgeklemmt, bleibt der momentane Färbungszustand erhalten.
Die elektrochromen Elemente des Typs 2 und 3 sind dagegen selbstlöschend. Ohne anliegende Spannung kommt es zur Entfärbung. Zum Halten einer bestimmten Farbtiefe muss ein kontinuierlicher Stromfluss erfolgen. Die Farbtiefe kann über die Höhe dieses Stromes gesteuert werden. Die zur Schaltung nötigen Gleichspannungen liegen für alle Typen elektrochromer Elemente im Bereich von etwa 1- 3 V.
Die in Abbildung 4 dargestellten Systeme werden zwischen 2 transparenten Glas- oder Kunststoffsubstraten eingeschlossen. Bei Anwendungen, in denen die Reflektivität moduliert werden soll, ist meist ein transparentes Substrat ausreichend.

Elektrochrome Schichten werden vakuumtechnisch, durch Sol-Gel-Methoden oder elektrochemisch hergestellt. Als Elektrolyte verwendet man in der Regel flüssige Medien oder einen gelförmigen bis festen Polymerelektrolyten, wobei für praktische Anwendungen ein fester Polymerelektrolyt natürlich besonders vorteilhaft ist. Es wird aber auch an der Verwendung anorganischer Festelektrolyte gearbeitet. Ihr wesentlich höherer Widerstand im Vergleich zu flüssigen oder Polymerelektrolyten soll durch eine stark verringerte Dicke wettgemacht werden.

In den ersten Jahren wurde die Elektrochromie hauptsächlich mit dem Ziel des Einsatzes in Displays beforscht. Nachdem sich hier die Flüssigkristalldisplays durchgesetzt hatten, wurden diese Forschungen aber eingestellt. Derzeit wird auf diesem Gebiet auch unter dem Stichwort Electronic Paper aber wieder intensiv gearbeitet.
Elektrochrome Rückspiegel in Kraftfahrzeugen, die die Blendung des Fahrers bei Nacht durch nachfolgende Fahrzeuge minimieren, sind bisher das einzige Massenprodukt auf Basis der Elektrochromie.
Die Fa. Gentex nutzt dabei eine elektrochrome Anordnung nach Typ 3 mit 2 gelösten elektrochromen Verbindungen während der Konkurrent Magna Donnelly auf die Hybrid-Variante des Typs 2 setzt: mit einem WO₃-Film und einer gelösten elektrochromen Verbindung.
Ein sehr zukunftsträchtiger Anwendungsbereich für die Elektrochromie ist der Einsatz in der großflächigen Gebäudeverglasung. Hier verwendete elektrochrome Elemente könnten wahlweise automatisch oder nutzergesteuert die Lichtdurchlässigkeit von Fensterscheiben regeln und damit zu beträchtlichen Energieeinsparungen und erhöhtem Nutzerkomfort führen. Die Gebäudeverglasung stellt besonders hohe Anforderungen an neue Produkte auf Basis der Elektrochromie:

• Absolute Homogenität über große Glasflächen
• Hohe Reversibilität über einige 10.000 Schaltzyklen
• Hohe Lebensdauer wie bei herkömmlichen Verglasungen (20-30 Jahre) trotz Temperaturbelastung im Bereich von etwa 25 bis +80°C und zum Teil starker UV-Bestrahlung.

Abbildung 5: Schaltsequenz eines elektrochromen Fensters

Die Änderung der Transmissionsspektren während der Schaltung eines solchen elektrochromen Fensters zeigt Abbildung 6.

Abbildung 6: Spektrale Änderung der Lichttransmission eines elektrochromen Glases während des Schaltens

Für die Verscheibung von Verkehrsmitteln als schaltbarer Sicht-, Blend- und Überhitzungsschutz ist der Einsatz elektrochromer Verglasungen ebenfalls sinnvoll.
Elektrochrome Elemente als stufenlos schaltbarer Farb- und Graufilter für die Photonik und verschiedene Bildaufzeichnungsanwendungen sowie elektrisch steuerbare Sonnenbrillen stellen ein weiteres Anwendungsgebiet dar.
Man diskutiert auch den Einsatz speziell konstruierter elektrochromer Anordnungen zur Schaltung optischer Eigenschaften im infraroten Spektralbereich. Es wird hier zum Beispiel vorgeschlagen eine all-solid-state-Variante des Typs 1 für die Raumfahrt einzusetzen, um die Wärmeabstrahlung und -reflexion von Raumflugkörpern modulieren zu können.
Im militärischen Bereich wird darüber spekuliert, die Elektrochromie von im sichtbaren und über weite Bereiche im infraroten Spektralbereich schaltenden Oberflächen auf militärischen Geräten dazu zu nutzen, die elektronische Aufklärung durch den Gegner zu erschweren. Es ist daher sicher nicht verwunderlich, dass insbesondere in den USA auch an solchen Anwendungen der Elektrochromie geforscht wird.

Es sind viele weitere Anwendungsgebiete für den Einsatz elektrochromer Materialien denkbar. Die Aufgabe der nächsten Jahre wird aber hauptsächlich darin bestehen, neben dem Einsatz in abblendbaren Autorückspiegeln, weitere praktische Einsatzfälle vor allem in der Gebäudeverglasung tatsächlich zu realisieren.