Il principio di funzionamento fondamentale del vetro elettrocromico è che, applicando una piccola tensione, gli ioni all'interno del vetro vengono spinti a muoversi, provocando cambiamenti reversibili e stabili nelle proprietà ottiche (colore e trasparenza) del materiale.
Principio di funzionamento dettagliato (analisi-passo-passo
Potete immaginarla come una "batteria" molto sottile e trasparente che cambia colore quando è carica e diventa nuovamente trasparente quando è scarica.
1. Struttura centrale (struttura a sandwich
Un tipico vetro elettrocromico è composto da cinque strati di pellicole funzionali, inserite tra due substrati di vetro:
Vetro esterno: substrato.
Strato conduttivo trasparente (TCO): tipicamente ossido di indio-stagno (ITO), funge da elettrodo per applicare la tensione.
Strato elettrocromico (strato EC): strato centrale, contenente materiali elettrocromici (come il triossido di tungsteno WO₃). Quando vengono iniettati ioni ed elettroni, cambia colore (di solito diventa blu).
Strato conduttore ionico (strato elettrolitico): immagazzina gli ioni (come Li⁺) e consente il passaggio degli ioni sotto l'azione di un campo elettrico, ma isola gli elettroni.
Strato di accumulo degli ioni (strato del controelettrodo): quando lo strato elettrocromico cambia colore, deve fornire o ricevere ioni per mantenere l'equilibrio della carica e solitamente ha proprietà di cambio colore complementari-.
Strato conduttivo trasparente (TCO): l'elettrodo sull'altro lato.
Vetro esterno: substrato.
La struttura è semplificata come segue: vetro, strato conduttivo, strato elettrocromico, strato conduttore ionico, strato di accumulo ionico, strato conduttivo e vetro
2. Processo di lavoro (prendendo come esempi il triossido di tungsteno WO₃ e gli ioni di litio Li⁺)
UN. Colorazione - Quando viene applicata la tensione
Quando una tensione continua (solitamente molto bassa, 1-5 V) viene applicata agli strati conduttivi trasparenti su entrambi i lati:
Trasmissione del campo elettrico: il campo elettrico spinge gli ioni di litio (Li⁺) nello strato conduttore ionico verso lo strato elettrocromico (WO₃).
Iniezione di ioni ed elettroni: nel frattempo, anche gli elettroni (e⁻) vengono iniettati nello strato elettrocromico attraverso un circuito esterno.
Si verificano reazioni chimiche: nello strato elettrocromico, ioni ed elettroni subiscono reazioni di riduzione (intercalazione) con il materiale.
WO₃ (trasparente) + xLi⁺ + xe⁻ ⇌ LixWO₃ (blu)
Scolorimento: il prodotto LixWO₃ è un composto di colore blu intenso che assorbe la luce visibile, scurendo così il colore del vetro e riducendone la trasparenza. Nel frattempo, lo strato di accumulo ionico si ossida e perde ioni per mantenere l’equilibrio di carica dell’intero sistema.
B. Sbiadimento (sbiancamento) - quando la tensione è invertita o scollegata
Quando la tensione è invertita o cortocircuitata-:
Inversione del processo: la direzione del campo elettrico cambia o scompare e gli ioni e gli elettroni vengono estratti dallo strato elettrocromico e ritornano allo strato conduttore ionico e allo strato di accumulo ionico.
Si verifica la reazione inversa: la reazione chimica di cui sopra procede verso sinistra, con LixWO₃ che si decompone nuovamente in WO₃ trasparente e rilascia Li⁺ ed e⁻.
Ripristina la trasparenza: Il vetro ritorna ad uno stato di elevata trasparenza.
C. Effetto memoria
Un vantaggio chiave del vetro elettrocromico è che ha proprietà bistabili. Una volta che si è formato lo stato scolorito o sbiadito, può essere mantenuto a lungo (per diverse ore o addirittura giorni) anche se si interrompe completamente l'alimentazione. Perché la reazione chimica sopra-menzionata è in uno stato stabile quando non è guidata da un campo elettrico esterno. Consuma elettricità solo quando deve cambiare stato, il che lo rende molto-efficiente dal punto di vista energetico.
