Καινοτόμα νανοδομημένα ηλεκτροχρωμικά παράθυρα για έξυπνη διαχείριση του φωτισμού και της θερμότητας του χώρου
Authors: Μουράτης Κυριάκος 
Published: May 2024

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.