High-Performance Thermochromic VO2-Based Coatings Deposited by Roll-to-Roll High-Power Impulse Magnetron Sputtering

Abstract

Thermochromic vanadium dioxide (VO2) undergoes a reversible semiconductor to- metal transition, a property that can be exploited for reduction of the energy consumption in buildings using smart windows. Herein, high-performance thermochromic three-layer ZrO2/V0.98W0.02O2/ZrO2 coatings prepared on ultrathin flexible glass (0.1 mm) without any post annealing in a pilot-scale roll-to-roll deposition device is presented. The V0.98W0.02O2 layers are deposited using a reactive high-power impulse magnetron sputtering with an oxygen flow control at a substrate temperature of approximately 350 °C. The optimized coatings (width of 0.3 m and length over 2.6 m) exhibit a transition temperature of 28 °C, an integral luminous transmittance over 50%, and a modulation of the solar energy transmittance of about 10%. The deposition process is optimized, and the elemental composition (Rutherford backscattering spectrometry), design (field-emission scanning electron microscopy), phase composition (X-ray diffraction), and thermochromic properties (spectrophotometry) of these high-performance VO2-based coatings in the context of potential for commercial applications are characterized.

Termochromický oxid vanadičitý (VO2) podléhá vratnému přechodu polovodič-kov, což je vlastnost, kterou lze využít ke snížení spotřeby energie v budovách pomocí inteligentních oken. V tomto článku jsou prezentovány vysoce účinné termochromické třívrstvé povlaky ZrO2/V0,98W0,02O2/ZrO2 připravené na ultratenkém ohebném skle (0,1 mm) bez jakéhokoli dodatečného žíhání v zařízení pro nanášení z role na roli v poloprůmyslovém měřítku. Vrstvy V0,98W0,02O2 jsou nanášeny pomocí reaktivního vysokovýkonného impulsního magnetronového naprašování s řízením toku kyslíku při teplotě substrátu přibližně 350 °C. Optimalizované povlaky (šířka 0,3 m a délka přes 2,6 m) vykazují teplotu přechodu 28 °C, integrální světelnou propustnost přes 50 % a modulaci propustnosti sluneční energie přibližně 10 %. Proces nanášení je optimalizován a bylo zjištěno prvkové složení (Rutherfordova spektrometrie zpětného rozptylu), design (rastrovací elektronová mikroskopie), fázové složení (rentgenová difrakce) a termochromické vlastnosti (spektrofotometrie) těchto vysoce výkonných materiálů na bázi VO2.