Elektrokromik cam uygulamalarına yönelik çeşitli iletken polimer ve metal oksit ince filmlerin üretilmesi ve performans testlerinin gerçekleştirilmesi

Abstract

Bu çalışmada, nano gözenekli Bakır (Cu) katkılı Nikel Oksit (NiO) ve nano lifli Lityum Perklorat (LiClO4) katkılı Polianilin (PAni) ince filmlerinin ITO kaplı cam alttaşlar üzerine elektrokimyasal sentezine kapsamlı bir genel bakış sunulmaktadır. LiClO4 inorganik tuzu katkılı olan ve katkısız olan Polianilin (PAni) iletken polimer ince filmleri ITO yüzeyine elektrokimyasal kaplama yöntemiyle üretilmiştir. Üretilen filmlerin elektrokromik kararlılık testi, elektrokimyasal davranışı, renklendirme performansı, optik özellikleri ve yüzey oluşumları detaylı olarak incelenmiştir. Üretilen filmlerin iyi bir kararlılığa sahip olduğu görülmüştür. Elektrokimyasal analizler, LiClO4 katkılı PAni filminin iletkenliğinin katkısız PAni'ninkinden daha yüksek olduğunu göstermiştir. Elektrolitlerin içeriğine bağlı olarak, yükseltgenme/indirgenme pikleri ve potansiyelleri önemli ölçüde farklılık göstermiştir. SEM çalışmalarında, her iki filmin yüzeyinin tamamen nano liflerden oluştuğu gözlenmiştir. Kaplama çözeltisine LiClO4 eklenmesiyle nano liflerin çapları önemli ölçüde azalmıştır. LiClO4 tuzu içeren PAni filmi dört farklı renk sergilerken, katkısız PAni filmi üç farklı renk gösterdiği gözlemlenmiştir. LiClO4 katkılı PAni malzemesinin yüzeyinden elde edilen EDX sonuçları, PAni ve LiClO4 ikili yapı ince filmini oluşturmak için başarılı bir şekilde bağlandığını göstermiştir. Üretilen ince filmlerinin kristal fazının ve morfolojilerinin belirlenmesi için X-ışını kırınım analizi ve taramalı elektron mikroskobu kullanılmıştır. Kaplanan filmlerin elektrokromik davranışları, döngüsel voltammetri, kronokolometri, tekrarlanan kronoamperometri ve elektrokimyasal empedans spektroskopisi ölçümleri ile test edilmiştir. Koyu kahverenginden saydamlığa doğru renk değişimi, -0,2 ile +1,0 V arasındaki ardışık potansiyel altında tersinir olarak iyi görünmektedir. Bakır atomları NiO örgüsüne katkılandıktan sonra optik modülasyonda (550 nm'de %57,1), renklenme verimliliğinde (13,78 cm2/C) ve tepki süresinde (tş=2,26 s ve tr=1,77 s) gözle görülür şekilde katkısız NiO ince filmlerine nazaran artışlar gözlenmiştir. Mott-Schottky grafiğinin negatif eğiminden filmlerin p-tipi iletkenlik gösterildiği bulunmuştur ve alıcı yoğunluğu NiO için 4,44·1019 cm-3 ve Cu:NiO için 5,41·1019 cm-3 olarak hesaplanmıştır. NiO ve Cu:NiO yarıiletken/elektrolit sisteminin Nyquist verileri kullanılarak eşdeğer bir devre tanımlanmıştır. Elde edilen sonuçların, enerji tasarrufu sağlayan akıllı pencerelere katkı sağlayacağı düşünülmektedir.

This study presents a comprehensive overview of the electrochemical synthesis of nanoporous Cu-doped nickel oxide and nanofiber LiClO4 doped PAni thin films on ITO-coated glass substrate. Polyaniline conductive polymer thin films without or with LiClO4 inorganic salt were coated by electrochemical deposition method on ITO surfaces. Electrochromic stability test, electrochemical behavior, coloring performance, optical properties and surface formations of the produced films were studied in detail. The deposited films were found to have a good stability. Electrochemical analyses show that the conductivity of LiClO4 doped PANI film is higher than that of the PANI. Oxidation and reduction peaks, and potentials differ significantly depending on the content of the electrolytes. SEM studies demonstrate that the surface of each film consists of completely nanofibers. Addition of LiClO4 to the deposition electrolyte decreases substantially the diameter of these nanofibers. PANI film with LiClO4 exhibits four colors, while pure PANI film has three different colors. The EDX results obtained from the surface of LiClO4 doped PANI material indicate that PANI and LiClO4 are successfully linked to form PANI/LiClO4 binary thin film. X-ray diffraction analysis and scanning electron microscopy are used to determine the crystal phase and morphology of the NiO and Cu:NiO thin films. The electrochromic behavior of the deposited films is tested by means of cyclic voltammetry, chronocoulometry, repeating chronoamperometry, and electrochemical impedance spectroscopy measurements. The color change from dark brown to transparent appears reversibly well suitable under sequential potential from -0.2 to +1.0 V. After the Cu atoms incorporate into the host NiO matrix, noticeably enhancements are observed in optical modulation (57.1 % at 550 nm), coloration efficiency (13.78 cm2/C) and response time (tb=2.26 s and tc=1.77 s) compared to its as-prepared NiO films. The negative slope of the Mott-Schottky plot shows the films have p-type conductivity, and acceptor density is found as 4.44∙1019 cm-3 and 5.41∙1019 cm-3 for the NiO and Cu:NiO films, respectively. An equivalent electronic circuit is fitted using the measured Nyquist data of the NiO or Cu:NiO semiconductor/electrolyte system. Therefore, the results in this study make a major contribution to the research on energy-saving smart windows by demonstrating analyses in detail.