Couches minces électrochromiques d'oxyde de tungstène dense et poreux pour des applications de contrôle énergétique

Les nanotechnologies ont bouleversé le paysage dans plusieurs domaines comme la production, le stockage ou l'économie d'énergie. La fenestration architecturale peut jouir abondamment des bénéfices qu'offre la famille des nanotechnologies dites vertes. Parmi celles-ci, on retrouve la fenestration active ou «intelligente» qui, lorsque basée sur des matériaux électrochromiques, est capable de moduler son état de coloration suite à l'application d'une légère tension électrique. Cette modulation optique s'effectue pour la radiation visible et le rayonnement thermique situé dans le proche infrarouge. Leur utilisation permet ainsi de réduire considérablement la consommation énergétique des bâtiments. Également, un degré de régulation supplémentaire est offert par cette technologie dans la perspective d'optimiser le confort intérieur et ce, au gré des habitants. Il est important de mentionner que cette technologie peut être grandement profitable pour un pays comme le Canada où il y a un grand écart de température entre la période hivernale et estivale. Partant de ce fait, ceci influence la nécessité d'empêcher ou non la radiation visible et proche infrarouge de pénétrer. Ce mémoire porte intégralement sur le trioxyde de tungstène (WO3) : le matériau le plus largement étudié pour ses propriétés électrochromiques. Dans le cas présent, le WO3 est synthétisé sous forme de couches minces par pulvérisation magnétron radiofréquence. En variant la pression et la puissance, la porosité des échantillons est altérée. Le coeur de ce travail se situe au niveau de la caractérisation de ces échantillons par ellipsométrie spectroscopique in situ parallèlement à l'application d'une différence de potentiel dans un milieu électrolytique liquide constitué d'acide sulfurique (H2SO4). La méthodologie qui a été développée permet d'approfondir l'étude des matériaux électro-actifs. Pour le démontrer, les propriétés optiques du WO3 sont obtenues pour une vaste plage de niveaux de coloration. Ces dernières sont utilisées dans le but de modéliser la coloration résultante d'empilements multicouches électrochromiques. Cependant, une interface entre une couche dense et poreuse peut s'avérer problématique et donc, à cet effet, plusieurs avenues d'exploration future par rapport aux filtres électrochromiques interférentiels sont finalement discutées.

Abstract

Nanotechnology has modified the landscape of energy generation, energy storage and energy saving devices. Architectural fenestration can extensively benefit from green nanotechnologies. Amongst them, active fenestration or «smart» windows are able to modify their coloration state upon the application of a small electrical voltage, when based on electrochromic materials. In fact, the amount of visible and near-infrared light that can penetrate through the window can be altered. Therefore, their implementation can allow for a significant reduction in energy consumption in buildings. Furthermore, the capability of optimizing indoor comfort is usercontrolled, thus an additional degree of freedom is given by electrochromic-based technology. It is worth mentioning that such devices can be largely advantageous in countries with variable seasons, such as here in Canada. As a matter of fact, the large temperature difference between the hot and cold season influences the requirement of impeding or enabling visible and thermal radiation to pass through. This master's thesis is entirely devoted to tungsten trioxide (WO3), which is the most widely studied electrochromic material. In the present case, WO3 thin films are synthesized by radiofrequency magnetron sputtering. By varying the deposition pressure and power, the porosity content/packing density of the films is modified. This work's main topic is the characterization of electrochromic samples by in situ spectroscopic ellipsometry simultaneously with the application of an electrical voltage in an aqueous electrolytic medium made of sulfuric acid (H2SO4). The methodology developed here allows for an in-depth study of electro-active materials. To corroborate this, optical properties of WO3 are obtained for a wide range of coloration levels, and these are subsequently used to model the resulting coloration of electrochromic multilayer systems. However, the interface between the dense and porous films affects the coloration/bleaching dynamics. In this regard, interesting research avenues related to electrochromic interference filters are finally proposed.