FR2669122A1 - Electrochromic window - Google Patents
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Abstract
Description
VITRAGE ELECTROCHROME
La présente invention concerne les vitrages à transmission électrocommandée ou autrement dit les vitrages électrochromes dont l'état de coloration peut être modifié par passage d'un courant électrique. L'invention s'applique plus particulièrement au contrôle de l'apport solaire dans les bâtiments ou les habitacles des véhicules automobiles.ELECTROCHROME GLAZING
The present invention relates to glazing with electrocontrolled transmission or in other words electrochromic glazing, the state of coloring of which can be modified by passing an electric current. The invention applies more particularly to the control of the solar contribution in the buildings or the interiors of motor vehicles.
Les vitrages électrochromes faisant l'objet de l'invention sont des vitrages comportant une couche d'un matériau susceptible d'insérer de façon réversible des cations, en général des protons ou des ions lithium, et dont les états d'oxydation correspondant aux deux états inséré ou désinséré présentent des états de coloration différents. The electrochromic glazings which are the subject of the invention are glazings comprising a layer of a material capable of reversibly inserting cations, in general protons or lithium ions, and whose oxidation states corresponding to both inserted or uninserted states have different coloring states.
Dans le cas du trioxyde de tungstène, on passe ainsi d'un état oxydé incolore à un état réduit de coloration bleunuit, selon la réaction chimique
WO3 + x M+ + xe- < ----- > MXWO3-
Pour que cette réaction se produise, il est donc nécessaire de disposer à côté de la couche de matériau électrochrome d'une source de cations et d'une source d'électrons, respectivement constituées par une couche d'un électrolyte à conductivité ionique et par une couche électroconductrice servant d'électrode.A ce premier système comportant un matériau électrochrome cathodique vient s'ajouter par symétrie un système avec un matériau électrochrome anodique, tel que l'oxyde d'iridium, capable de même d'insérer et de désinsérer des cations d'une manière réversible, la couche d'oxyde d'iridium étant insérée entre la couche d'électrolyte et une seconde couche électroconductrice transparente.In the case of tungsten trioxide, one thus passes from a colorless oxidized state to a reduced state of dark blue color, according to the chemical reaction
WO3 + x M + + xe- <-----> MXWO3-
For this reaction to occur, it is therefore necessary to have, next to the layer of electrochromic material, a source of cations and a source of electrons, respectively constituted by a layer of an electrolyte with ionic conductivity and by an electroconductive layer serving as an electrode. To this first system comprising an electrochromic cathodic material is added by symmetry a system with an anodic electrochromic material, such as iridium oxide, capable of likewise inserting and deinserting cations in a reversible manner, the iridium oxide layer being inserted between the electrolyte layer and a second transparent electrically conductive layer.
Dans les demandes de brevet européen EP-A-253 713 et
EP-A-338876, il a été montré la relation existant entre la taille d'un système électrochrome et la conductivité électrique requise pour l'électrode. Plus les dimensions du vitrage sont grandes et plus la couche électroconductrice transparente doit présenter une faible résistivité faute de quoi les temps de commutation s'allongent. Pour des vitrages de plus de 200 cm2 , il est ainsi recommandé une résistance carrée inférieure à 5 Ohms.In European patent applications EP-A-253,713 and
EP-A-338876, it has been shown the relation existing between the size of an electrochromic system and the electrical conductivity required for the electrode. The larger the dimensions of the glazing, the more the transparent electroconductive layer must have a low resistivity, otherwise the switching times become longer. For glazing larger than 200 cm2, a square resistance of less than 5 Ohms is therefore recommended.
Un tel niveau de performance ne peut certes pas être obtenu avec tout type de couches minces, d'autant que l'autre exigence fondamentale est le caractère transparent, une transmission lumineuse aussi élevée que possible étant recherchée pour l'état décoloré ce qui implique avec nombre de matériaux'des épaisseurs relativement faibles. Such a level of performance can certainly not be obtained with all types of thin layers, especially since the other fundamental requirement is transparency, a light transmission as high as possible being sought for the discolored state which implies with number of materials of relatively small thicknesses.
Par ailleurs, la couche électroconductrice transparente se doit d'être stable dans le milieu utilisé, y compris dans des conditions difficiles notamment à haute température. Or ce milieu est très corrosif en raison de la présence de l'électrolyte qui peut être acide ou basique. Furthermore, the transparent electroconductive layer must be stable in the medium used, including under difficult conditions, in particular at high temperature. However, this medium is very corrosive due to the presence of the electrolyte which may be acidic or basic.
Dans la demande de brevet EP-A-253 713, il a été défini un certain nombre de critères de sélection d'un électrolyte adapté à la réalisation de vitrages électrochromes et le choix s'est plus particulièrement porté sur des mélanges notamment du type complexe solide acide-polymère organique, ce type d'électrolyte étant avantageusement moins agressif que d'autres tel par exemple les solutions acides en phase liquide, à l'égard des autres couches du système et conduisant bien évidemment à une conduction protonique. Dans la suite de ce mémoire, nous nous limiterons aux systèmes électrochromes utilisant un électrolyte à conduction protonique de préférence de type polymère. Il doit être noté que même peu agressif, par définition même l'électrolyte est une source de protons donc d'éléments très réactifs.In patent application EP-A-253,713, a certain number of criteria for the selection of an electrolyte suitable for producing electrochromic glazings have been defined and the choice is more particularly focused on mixtures, in particular of the complex type. solid acid-organic polymer, this type of electrolyte being advantageously less aggressive than others such as for example acid solutions in liquid phase, with regard to the other layers of the system and leading obviously to a proton conduction. In the rest of this thesis, we will limit ourselves to electrochromic systems using a proton-conducting electrolyte, preferably of the polymer type. It should be noted that even slightly aggressive, by definition even the electrolyte is a source of protons therefore very reactive elements.
Il est vrai que la couche électroconductrice transparente n'est pas directement en contact avec l'électrolyte mais en est séparée par une couche d'un matériau électrochrome. Néanmoins, cette couche intercalaire ne peut entièrement jouer un rôle de protection car elle se doit de proposer un nombre de sites réactifs pour les protons aussi grand que possible, donc avec une répartition sur toute l'épaisseur de la couche de matériau électrochrome ce qui sous entend une couche relativement poreuse dans laquelle vont pénétrer des protons et éventuellement atteindre ainsi la couche électroconductrice transparente. It is true that the transparent electroconductive layer is not directly in contact with the electrolyte but is separated from it by a layer of an electrochromic material. However, this intermediate layer cannot fully play a protective role because it must offer as many reactive sites for the protons as possible, therefore with a distribution over the entire thickness of the layer of electrochromic material which under means a relatively porous layer into which protons will penetrate and possibly reach the transparent electrically conductive layer.
Il faut bien noter que ce phénomène de corrosion est relativement lent et que le système fonctionne normalement pendant un certain temps. Mais après une longue durée d'utilisation ou une simulation de celle-ci par des tests de vieillissements accélérés à haute température, on constate une dégradation sensible par exemple après 5 heures à 100 0C ou plus. Cette corrosion est donc un handicap au développement de ces systèmes notamment dans les applications bâtiments confrontées au problème de la garantie décennale et dans les applications automobiles où les températures d'utilisation sont parfois très élevées. It should be noted that this corrosion phenomenon is relatively slow and that the system operates normally for a certain time. But after a long period of use or a simulation thereof by accelerated aging tests at high temperature, there is a significant degradation for example after 5 hours at 100 ° C. or more. This corrosion is therefore a handicap to the development of these systems, particularly in building applications facing the problem of the ten-year warranty and in automotive applications where the operating temperatures are sometimes very high.
Les tentatives faites à ce jour de substitution du polymère acide formant l'électrolyte par d'autres matériaux tels que des diélectriques ne sont guère convaincantes pour des systèmes de grandes dimensions notamment en raison des risques de courts-circuits dus à l'extrême minceur des couches de diélectriques pour l'état décoloré. The attempts made to date to replace the acid polymer forming the electrolyte by other materials such as dielectrics are hardly convincing for large systems, in particular because of the risks of short circuits due to the extreme thinness of the dielectric layers for discolored state.
D'autre part, nous avons indiqué plus haut que le niveau de performance exigé pour la couche électroconductrice est particulièrement élevé en termes de conductivité et de transparence. Pour l'application automobile, s'y ajoute de plus l'exigence d'une compatibilité avec un traitement thermique du type bombage de la feuille de verre et/ou trempe thermique. Cette compatibilité peut être obtenue avec une couche dite bombable ctest-à-dire susceptible de supporter sans dégradation un traitement à 6000C ou avec une couche pouvant être déposée sur un substrat froid, le réchauffage du verre risquant de lui faire perdre sa forme et les effets bénéfiques de la trempe thermique éventuelle. On the other hand, we indicated above that the level of performance required for the electrically conductive layer is particularly high in terms of conductivity and transparency. For automotive applications, there is also the requirement of compatibility with a heat treatment of the bending type of the glass sheet and / or thermal toughening. This compatibility can be obtained with a so-called bendable layer, that is to say capable of withstanding a treatment at 6000C without degradation or with a layer which can be deposited on a cold substrate, the reheating of the glass being liable to make it lose its shape and the effects beneficial from possible thermal quenching.
Enfin, la technologie mise en oeuvre doit être adaptée aux dimensions des vitrages et à une production industrielle, notamment en termes de coût et de rendement.Finally, the technology used must be adapted to the dimensions of the glazing and to industrial production, in particular in terms of cost and yield.
La confrontation de ces exigences a conduit les inventeurs, dans l'état actuel des connaissances en matière de couches électroconductrices à choisir ou l'oxyde d'indium dopé à l'étain ou l'oxyde d'étain dopé au fluor qui peut fournir des couches présentant une très faible résistance carrée à condition par exemple d'utiliser des techniques de dépôt du type pyrolyse en phase vapeur et des épaisseurs relativement grandes de l'ordre de 800 à 900 nanomètres. Une telle couche est inerte à l'égard d'un électrolyte acide. The confrontation of these requirements has led the inventors, in the current state of knowledge in the field of electrically conductive layers to choose either indium oxide doped with tin or tin oxide doped with fluorine which can provide layers having a very low square resistance provided, for example, using deposition techniques of the vapor phase pyrolysis type and relatively large thicknesses of the order of 800 to 900 nanometers. Such a layer is inert towards an acid electrolyte.
Ce problème de la préservation de la couche électro-conductrice peut également être solutionné au moyen d'une couche barrière et conformément à la revendication 1 l'invention a également pour objet un vitrage électrochrome comportant successivement une feuille de verre, une première électrode constituée par une couche électroconduc-trice transparente dont la résistance carrée est inférieure à 5 Ohms, une couche d'un matériau électrochrome cathodi- que, un électrolyte, une couche d d'un matériau électrochrome anodique et une seconde électrode électroconductrice transparente, ce vitrage comportant en outre selon l'invention des couches barrières insérées entre lesdites électrodes et lesdites couches de matériaux électrochromes, la résistance carrée de l'ensemble formé par une électrode et sa couche barrière étant inférieure à 5
Ohms.This problem of preserving the electrically conductive layer can also be solved by means of a barrier layer and according to claim 1 the invention also relates to an electrochromic glazing successively comprising a sheet of glass, a first electrode constituted by a transparent electroconductive layer whose square resistance is less than 5 Ohms, a layer of cathodic electrochromic material, an electrolyte, a layer d of an anodic electrochromic material and a second transparent electroconductive electrode, this glazing comprising further according to the invention barrier layers inserted between said electrodes and said layers of electrochromic materials, the square resistance of the assembly formed by an electrode and its barrier layer being less than 5
Ohms.
La couche barrière selon l'invention est donc constitutive de l'ensemble formant l'électrode et s'oppose en celà au système décrit par M. Stuart F Cogan et R David
Rauth dans l'article intitulé "The a-WO3/IrO2 électrochromic system" publié par le SPIE Institutes for advanced
Optical Technologies (volume IS4), système dans lequel il est préconisé à l'interface électrolyte-matériau électrochrome, la présence d'une couche barrière du type diélectrique ce qui revient à encadrer l'électrolyte le plus corrosif (le polymère acide) par un autre électrolyte. La couche barrière décrite dans l'article précité ne peut pas protéger l'électrode transparente contre l'action des protons car ces derniers doivent bien atteindre la couche de matériau électrochrome pour que le phénomène d'électrochromisme se produise.En revanche, située à l'arrière des couches de matériaux électrochromes, la couche barrière selon l'invention peut être "étanche" aux protons, ou du moins être aussi étanche que possible.The barrier layer according to the invention therefore constitutes the assembly forming the electrode and in this way opposes the system described by M. Stuart F Cogan and R David
Rauth in the article entitled "The a-WO3 / IrO2 electrochromic system" published by the SPIE Institutes for advanced
Optical Technologies (volume IS4), a system in which it is recommended at the electrolyte-electrochromic material interface, the presence of a barrier layer of the dielectric type, which amounts to framing the most corrosive electrolyte (the acid polymer) with a other electrolyte. The barrier layer described in the aforementioned article cannot protect the transparent electrode against the action of protons because the latter must reach the layer of electrochromic material for the phenomenon of electrochromism to occur. At the rear of the layers of electrochromic materials, the barrier layer according to the invention can be "waterproof" to the protons, or at least be as waterproof as possible.
Une couche donnée peut être utilisée comme couche barrière selon l'invention lorsque le rapport entre son épaisseur et sa porosité est grand. En pratique, il n'est toutefois pas souhaitable de trop augmenter son épaisseur car alors l'absorption optique liée à la couche barrière devient génante et de plus la tenue mécanique du système est dégradée avec une plus grande propension au délaminage. A given layer can be used as a barrier layer according to the invention when the ratio between its thickness and its porosity is large. In practice, however, it is not desirable to increase its thickness too much because then the optical absorption linked to the barrier layer becomes annoying and moreover the mechanical strength of the system is degraded with a greater propensity for delamination.
De ce fait, il est préférable de travailler avec des couches de moins de 600 nanomètres. D'autre part, il est avantageux d'opérer dans des conditions de dépôt qui conduisent à des densités élevées c'est à dire au sens de l'invention relativement proches de la densité théorique du réseau cristallin correspondant.Therefore, it is preferable to work with layers of less than 600 nanometers. On the other hand, it is advantageous to operate under deposition conditions which lead to high densities, that is to say within the meaning of the invention relatively close to the theoretical density of the corresponding crystal lattice.
Même si la couche barrière fait partie de l'ensemble formant l'électrode, elle n'a pas besoin d'être très électroconductrice. Ce point, qui apparaît au prime abord assez paradoxal vu les qualités exigées pour les électro-des, est dû au fait que la couche barrière est de préférence déposée selon une couche très mince, inférieure par exemple à 600 nanomètres, et que dans l'épaisseur, son caractère isolant sera toujours dans ces conditions insuffisant pour limiter effectivement la conduction électronique, ceci bien sûr sous réserve que la densité électronique à l'arrière de la couche barrière soit aussi homogène que possible ce qui suppose une couche électro-conductrice transparente de base tres conductrice. Even if the barrier layer is part of the assembly forming the electrode, it does not need to be very electrically conductive. This point, which appears at first sight quite paradoxical given the qualities required for electro-des, is due to the fact that the barrier layer is preferably deposited in a very thin layer, for example less than 600 nanometers, and that in the thickness, its insulating nature will always be insufficient under these conditions to effectively limit the electronic conduction, this of course provided that the electronic density behind the barrier layer is as homogeneous as possible which supposes a transparent electrically conductive layer of very conductive base.
La couche barrière doit être aussi stable que possible à l'égard des électrolytes ce qui implique notamment une bonne résistance aux attaques acides. Nous avons indiqué précédemment que son épaisseur doit rester faible, notamment afin de ne pas nuire à la transparence de l'électrode, mais néanmoins elle doit être suffisante pour l'obtention d'une imperméabilité aux protons suffisante. The barrier layer must be as stable as possible with respect to the electrolytes, which in particular implies good resistance to acid attacks. We indicated previously that its thickness must remain low, in particular so as not to harm the transparency of the electrode, but nevertheless it must be sufficient for obtaining a sufficient impermeability to protons.
Il a été trouvé que le dioxyde d'étain SnO2 , éventuellement légèrement dopé à l'antimoine, déposé sans précautions particulières convient tout particulièrement bien à la réalisation de telles couches barrières, des épaisseurs de 100 à 500 nanomètres donnant toute satisfaction. It has been found that the tin dioxide SnO2, possibly slightly doped with antimony, deposited without special precautions is very particularly suitable for the production of such barrier layers, thicknesses of 100 to 500 nanometers giving any satisfaction.
Des résultats très satisfaisants ont également été obtenus avec une couche barrière formée d'oxyde de tungstène dense, présentant une densité supérieure ou égale à 95 % de la densité maximale théorique. A noter qu'une telle couche d'oxyde de tungstène ne peut pratiquement plus présenter de phénomène d'électrochromisme car les protons ne peuvent atteindre les sites réactifs. Very satisfactory results have also been obtained with a barrier layer formed of dense tungsten oxide, having a density greater than or equal to 95% of the theoretical maximum density. It should be noted that such a layer of tungsten oxide can practically no longer exhibit an electrochromism phenomenon because the protons cannot reach the reactive sites.
D'autres détails et caractéristiques avantageuses de l'invention sont données ci-après en référence à la planche unique annexée où figure un vitrage électrochrome selon l'invention, vu dans une représentation schématique où, par souci d'un maximun de clarté, on a écarté tout objectif de respect de proportionnalité des différentes couches. Other details and advantageous characteristics of the invention are given below with reference to the single appended sheet in which there is an electrochromic glazing according to the invention, seen in a schematic representation where, for the sake of maximum clarity, we has ruled out any objective of respecting the proportionality of the different layers.
Le système électrochrome est constitué par une feuille de verre 1 revêtue d'une couche électroconductrice transparente 2 formant la première électrode. La feuille de verre 1 fait face à une seconde feuille de verre qui est de même revêtue d'une couche électroconductrice transparente 8. Ces deux électrodes sont reliées à un générateur de tension ici non représenté. The electrochromic system consists of a glass sheet 1 coated with a transparent electroconductive layer 2 forming the first electrode. The glass sheet 1 faces a second glass sheet which is likewise coated with a transparent electroconductive layer 8. These two electrodes are connected to a voltage generator not shown here.
Ces électrodes sont par exemple formées par des couches d'oxyde d'indium dopé à l'étain déposées par pulvérisation cathodique magnétron, selon une épaisseur de 400 nm et ont une résistance carrée de l'ordre de 5 Ohms. These electrodes are for example formed by layers of indium oxide doped with tin deposited by magnetron sputtering, according to a thickness of 400 nm and have a square resistance of the order of 5 Ohms.
Entre ces électrodes, on trouve l'électrolyte 5 formé par une solution solide d'acide phosphorique anhydre dans du polyoxyde d'éthylène, préparée de la manière suivante dans des conditions rigoureusement anhydres, on dissout par litre de solvant 20 g d'acide phosphorique normapur et 20 g de polyoxyde d'éthylène de masse moléculaire égale à 5000000 (densité 1,21, température de transition vitreuse -40 C, rapport O/H du nombre d'atomes d'oxygène du polymère sur le nombre d'atomes d'hydrogène de l'acide égal à 0,66).
Le solvant utilisé est un mélange 50-50 d'acétonitrile et de tétrahydro-furanne. La solution est coulée sur une plaque de verre après dépôt d'une couche de matériau électrochrome (voir ci-après). L'épaisseur uniforme est obtenue par la méthode du tire-film. La coulée est effectuée sous une atmosphère à taux d'humidité contrôlé.Après évaporation du solvant, on obtient un film de 50 micromètres dont la conductivité à 20"C est de 2 10-5 Ohms cm-1 et dont la transmission lumineuse est supérieure à 85 %. Le taux d'humidité au moment de la coulée doit être de préférence compris entre 40 et 100 ppm ce qui permet d'obtenir ultérieurement un contraste optimal.Between these electrodes, there is the electrolyte 5 formed by a solid solution of anhydrous phosphoric acid in polyethylene oxide, prepared in the following manner under strictly anhydrous conditions, 20 g of phosphoric acid are dissolved per liter of solvent normapur and 20 g of polyethylene oxide with a molecular mass equal to 5,000,000 (density 1.21, glass transition temperature -40 C, O / H ratio of the number of oxygen atoms in the polymer to the number of atoms d hydrogen of the acid equal to 0.66).
The solvent used is a 50-50 mixture of acetonitrile and tetrahydro-furan. The solution is poured onto a glass plate after depositing a layer of electrochromic material (see below). The uniform thickness is obtained by the film puller method. The casting is carried out under an atmosphere with controlled humidity. After evaporation of the solvent, a film of 50 micrometers is obtained whose conductivity at 20 "C is 2 10-5 Ohms cm-1 and whose light transmission is higher 85% The moisture content at the time of casting should preferably be between 40 and 100 ppm, which allows optimal contrast to be obtained later.
L'électrolyte 5 est entouré par deux couches de matériaux électrochromes, un matériau cathodique, l'oxyde de tungstène 4, déposé par pulvérisation cathodique magnétron sur une épaisseur de 260 nm et un matériau anodique, l'oxyde d'iridium 6 déposé de même par pulvérisation cathodique magnétron (avec un mélange gazeux oxygène-hydrogène dans un rapport 80/20 lors du dépôt conformément aux enseignements de EP-A-338876), sur une épaisseur de 55 nanomètres. The electrolyte 5 is surrounded by two layers of electrochromic materials, a cathode material, tungsten oxide 4, deposited by magnetron sputtering over a thickness of 260 nm and an anode material, iridium oxide 6 deposited in the same way. by magnetron sputtering (with an oxygen-hydrogen gas mixture in an 80/20 ratio during deposition in accordance with the teachings of EP-A-338876), over a thickness of 55 nanometers.
Après assemblage sous autoclave du système décrit ci-dessous sans couche barrière, après 5 heures à 1000C on commence à observer une baisse des performances du système, notamment due à une dégradation optique des couches, les couches d'oxyde d'indium dopé à l'étain se dissolvent dans le polymère ce qui finalement conduit à la perte totale de fonctionnalité du système. After assembly in an autoclave of the system described below without barrier layer, after 5 hours at 1000C we begin to observe a drop in system performance, in particular due to optical degradation of the layers, the indium oxide layers doped with l tin dissolve in the polymer which ultimately leads to the complete loss of system functionality.
Si maintenant on interpose entre les électrodes 2 et 8 et les couches de matériau électrochromes 4 et 6 deux couches barrières 5 et 7, constituées par de l'oxyde d'étain déposé par pulvérisation cathodique magnétron selon une épaisseur de par exemple 300 nanomètres, on n'observe plus de dégradation de la résistivité des électrodes après 100 heures à 100oye ce qui indique bien que les électrodes d'ITO ont été totalement protégées. If we now interpose between the electrodes 2 and 8 and the layers of electrochromic material 4 and 6 two barrier layers 5 and 7, constituted by tin oxide deposited by magnetron sputtering at a thickness of for example 300 nanometers, we no more degradation of the resistivity of the electrodes is observed after 100 hours at 100 ° C. which clearly indicates that the ITO electrodes have been completely protected.
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