Solution-processed oxide thin films for electrochromic devices application

Abstract

Electrochromic (EC) devices allow to reversibly change their colour when a small voltage is applied and can be used in buildings, satellites or airplanes. NiO and WO3 are two promising electrochromic materials with great electrochromic properties. Once NiO is a cathodic and WO3 is an anodic EC material, it is beneficial to combine them in a complementary effect electro- chromic window. The production techniques of both NiO and WO3 devices have been evolving but are still expensive due to typical vacuum-based and high pressure production processes. Therefore, it is highly important to find new low-cost methods that can allow to produce EC films with good electrochromic properties. Solution combustion synthesis (SCS) is a simple low-cost method and a possible alternative. In this work, NiO and WO3 films were produced through SCS and deposited by spin coating. Once the film production was optimized, they were structurally, optically and electrochemically characterized. NiO and WO3 films presented a thickness of (195±6) nm and of (53±3) nm, respectively. Both films did not present long range order and only NiO films presented a porous structure. WO3 and NiO films presented an iden- tical optical modulation of 20%. Cyclic voltammetry measures revealed two oxidation and two reduction peaks for NiO films and only one reduction peak for WO3. Finally, NiO and WO3 films presented low operating voltages and coloration/bleaching times of (21±1)/(8±1) s and (45±7)/ (46±4) s, respectively. The films exhibited a promising reversible electrochromic be- haviour which can be employed in complementary effect electrochromic windows after process optimization.

Os dispositivos electrocrómicos mudam reversivelmente de cor quando uma pequena tensão é aplicada nos seus terminais, podendo ser usados em edifícios, satélites ou aviões. NiO e WO3 são dois materiais electrocrómicos promissores que sendo, respetivamente, catódico e anó- dico, podem ser combinados numa janela electrocrómica de efeito complementar. Os métodos de fabrico de dispositivos à base destes materiais têm vindo a evoluir, mas como ainda assen- tam em processos de vácuo e altas pressões, permanecem os altos custos de produção. Assim, torna-se importante encontrar métodos low-cost que permitam produzir dispositivos com boas propriedades electrocrómicas. A síntese por combustão (SCS) apresenta-se como um método simples e de baixo custo. Neste trabalho filmes de NiO e WO3 foram produzidos por SCS e depositados por spin coating. Após otimização do processo de fabrico, os filmes foram estruturalmente, opticamente e electroquimicamente caracterizados. Os filmes de NiO apre- sentaram uma espessura de (195±6) nm e os de WO3 de (53±3) nm. Os filmes não apresenta- ram ordem a longas distâncias e apenas os filmes de NiO apresentaram uma estrutura porosa. Os filmes de WO3 e de NiO apresentaram uma modulação ótica semelhante, de cerca de 20%. As medidas de volumetria cíclica revelaram a presença de dois picos de redução e dois picos de oxidação para os filmes de NiO, mas apenas um pico de redução foi registado para o filme de WO3.. Por fim, os filmes de NiO apresentaram tempos de coloração/ descoloração de (21±1)/(8±1) s e os de WO3 (45±7)/ (46±4) s. Desta forma tanto os filmes de NiO como os de WO3 exibiram um comportamento electrocrómico reversível, podendo ser usados em janelas electrocrómicas após otimização do processo de fabrico.