Preparación y caracterización de recubrimientos termocrómicos basados en VO2 para su utilización en ventanas inteligentes

Abstract

La enorme conciencia social por el medio ambiente promueve que gran parte de las investigaciones científicas se dirijan hacia una aplicación beneficiosa para este. En este marco se encuentran las ventanas inteligentes termocrómicas, que son ventanas con un recubrimiento de una película delgada de material termocrómico. Entre estos materiales destaca el VO2 debido a que, a 68ºC, presenta una transición de una fase monoclínica aislante a una fase rutilo metálica (MIT, Metal-to-Insulator Transition), la cual va acompañada de una brusca disminución de la transmitancia en el infrarrojo cercano (NIR), manteniéndose prácticamente constante en el visible. Dado que la radiación infrarroja está asociada a los cambios de temperatura, controlando su paso a través de las ventanas, se podrá regular, de una manera pasiva, la temperatura en el interior de los espacios habitables reduciendo el consumo de calefacción y aire acondicionado. Para el presente trabajo, se han preparado 3 muestras distintas, vía sol-gel, a partir de un sol 0,125 M de VO(acac)2 en metanol con PVP K90. Tras su maduración, se prepararon las películas delgadas mediante dip-coating, con un paso de secado en estufa entre capa y capa de la película delgada. Por último, se realizó un tratamiento térmico a 500ºC con objeto de degradar los compuestos orgánicos sin efecto termocrómico y obtener la fase monoclínica de interés. Se ha encontrado, gracias a medidas de transmitancia variando la Tª entre 25ºC y 90ºC, que las películas con un número de capas pequeño favorecen la formación de VO2 (M) frente a las que constan de un número elevado, mientras que la Tª de secado no es un factor determinante. En los experimentos cinéticos del cambio de transmitancia con la Tª se ha observado un ciclo de histéresis, mostrando que la MIT se produce a una temperatura inferior durante el enfriamiento. Con los espectros de transmitancia a 25ºC y 90ºC se ha calculado el valor de los parámetros que cuantifican el efecto termocrómico para su aplicación en ventanas inteligentes: Tlum, ΔTsol e ΔTIR. Se ha logrado una mejoría de los resultados tras un posterior e innovador lavado de las muestras. Se ha realizado el ajuste de los resultados espectrales de elipsometría y transmitancia UV-Vis-NIR a las diferentes temperaturas, usando un modelo dieléctrico consistente en una combinación lineal de osciladores gasussianos, de Tauc-Lorentz y de Drude -este último solo se incluye en presencia de la fase metálica, ya que considera las oscilaciones de los portadores libres-. El valor de n es superior a 2 en el visible y el NIR; y, κ tiende a 0 cuando el VO2 está en fase aislante, aumentando, tras la MIT, a 2000 nm, pero permaneciendo constante a 500 nm. A partir del modelo de Drude, se ha hallado la resistividad, la cual disminuye con la aparición de la fase metálica al aumentar la Tª. Se han simulado espectros de transmisión a 25 y 90ºC para distintos espesores, determinándose, con el cálculo de Tlum, ΔTsol e ΔTIR, que el espesor óptimo de las películas está entre 60 y 80 nm.