Solární okno vytvořené vědci z Michiganské státní univerzity v East Lansingu dosáhlo pomocí organické fotovoltaiky 5% účinnosti.
RICHARD LUNT/MICHIGAN STATE UNIVERSITY
Lance Wheeler se dívá na skleněné mrakodrapy a vidí nevyužitý potenciál. Domy a kancelářské budovy podle něj představují 75 % spotřeby elektřiny ve Spojených státech a 40 % celkové spotřeby energie. Velký podíl na tomto problému mají okna, protože z nich uniká energie. „Cokoli, co můžeme udělat pro jejich zmírnění, bude mít velmi velký dopad,“ říká Wheeler, odborník na solární energii z Národní laboratoře pro obnovitelnou energii v Golden ve státě Colorado.
Řada nedávných výsledků podle něj ukazuje na řešení: Proměňte okna v solární panely. V minulosti vědci zabývající se materiály vkládali do okenních skel fólie pohlcující světlo. Taková solární okna však mají obvykle načervenalý nebo hnědý odstín, který se architektům nezdá atraktivní. Nové technologie solárních oken však pohlcují téměř výhradně neviditelné ultrafialové (UV) nebo infračervené světlo. Díky tomu zůstává sklo průhledné a zároveň blokuje UV a infračervené záření, které jím normálně uniká a někdy přináší nežádoucí teplo. Tím, že okna snižují tepelné zisky a zároveň vyrábějí energii, „mají obrovské perspektivy“, říká Wheeler, včetně možnosti, že by se velká kancelářská budova mohla sama napájet.
Většina solárních článků, jako jsou standardní krystalické křemíkové články, které v tomto odvětví dominují, obětuje průhlednost, aby maximalizovala svou účinnost, tedy procento energie slunečního světla přeměněné na elektřinu. Nejlepší křemíkové články mají účinnost 25 %. Nová třída neprůhledných solárních článků, tzv. perovskitů, se mezitím přibližuje křemíku s nejvyšší účinností 22 %. Perovskity jsou nejen levnější než křemík, ale lze je také vyladit tak, aby pohlcovaly specifické frekvence světla úpravou jejich chemické receptury.
Tento týden v časopise Joule tým vedený Richardem Luntem, chemickým inženýrem z Michiganské státní univerzity v East Lansingu, uvádí, že vyladil materiály a vyvinul perovskitové solární okno pohlcující UV záření s účinností 0,5 %. To je sice o sáh nižší účinnost než u nejlepších perovskitových článků, ale podle Lunta je dostatečně vysoká na to, aby poháněla další okenní technologii: ztmavovací sklo na vyžádání, které v denním horku zastavuje intenzivní světlo, a tím snižuje potřebu klimatizace v budově. Lunt věří, že jeho tým má jasnou cestu, jak se v příštích několika letech dostat na účinnost 4 %. Tímto tempem by články mohly napájet část osvětlení a klimatizace budov.
Na druhém konci spektra je infračervené světlo, které dopadá na zemský povrch intenzivněji než UV záření, a proto může generovat více elektřiny. Luntův tým loni v časopise Nature Energy oznámil, že se mu podařilo vyrobit průhledné články pohlcující UV a infračervené záření s účinností 5 % pomocí „organické“ fotovoltaiky – tenkých filmových sendvičů z organických polovodičů a kovů. Lunt říká, že budoucí systémy, které spojí perovskity zachycující UV záření s organickými látkami zachycujícími infračervené záření, by mohly dosáhnout účinnosti 20 %, přičemž by stále byly téměř zcela průhledné.
Třetí přístup k průhledným solárním oknům spočívá v tzv. luminiscenčních solárních koncentrátorech. V těchto oknech kvantové tečky, což jsou drobné polovodičové částice, absorbují světlo na UV a infračervených frekvencích a znovu ho vyzařují na vlnových délkách, které zachycují tradiční solární články. Zpětně vyzářené světlo je koncentrováno a přes sklo vedeno do stran k páskům solárních článků zabudovaným v rámu okna. Protože výroba kvantových teček je levná a k zachycení zpětně vyzářeného světla je zapotřebí jen malé množství materiálu solárních článků, slibují tato solární okna nízkou cenu. Solární články navíc lépe fungují při intenzivním a koncentrovaném světle. Tato okna již dosáhla účinnosti 3,1 %, uvedl v lednu v časopise Nature Photonics Victor Klimov, chemik z Los Alamos National Laboratory v Novém Mexiku, a jeho kolegové.
Semitransparentní okna ještě nezatracujte, říká Michael McGehee, odborník na solární okna a perovskity ze Stanfordovy univerzity v kalifornském Palo Altu. V loňském roce například americké ministerstvo energetiky udělilo společnosti Next Energy Technologies v kalifornské Santa Barbaře 2,5 milionu dolarů na zdokonalení semitransparentních oken z organických solárních článků. Společnost dosáhla 7% účinnosti s okny, která absorbují polovinu dopadajícího slunečního světla, včetně viditelného světla. To je ve srovnání s čirým sklem ztmavuje, ale protože pohlcují světlo z celého spektra, nikoliv z určitých frekvencí, nezískávají nevzhledný načervenalý nebo nahnědlý odstín. „Ukázalo se, že okno, které pohlcuje přibližně polovinu světla v celém viditelném spektru, vypadá skvěle,“ říká McGehee, který působí také jako poradce společnosti.
Wheeler si není jistý, která technologie se nakonec dostane na vrchol. Jedním z faktorů bude toxicita: Sklo se rozbíjí a mnoho technologií solárních oken obsahuje malé množství toxických materiálů. Technologie musí být také dostatečně odolné, aby vydržely desítky let, jak požaduje stavební průmysl. Podle něj však lze s jistotou očekávat, že budoucí budovy nebudou odebírat veškerou energii ze sítě. Budou si ji také vyrábět. „Stavebníci stejně musí zabudovat okna,“ říká Wheeler. „Proč se k těmto oknům nepřipojit?“
.