Et solvindue skabt af forskere ved Michigan State University i East Lansing opnåede en effektivitet på 5 % ved hjælp af organiske solceller.
RICHARD LUNT/MICHIGAN STATE UNIVERSITY
Lance Wheeler kigger på glasagtige skyskrabere og ser et uudnyttet potentiale. Huse og kontorbygninger, siger han, tegner sig for 75 % af elforbruget i USA og 40 % af USA’s samlede energiforbrug. Vinduer er en stor del af problemet, fordi de lækker energi, og derfor er de en stor del af problemet. “Alt, hvad vi kan gøre for at mindske dette, vil have en meget stor effekt”, siger Wheeler, der er ekspert i solenergi ved National Renewable Energy Laboratory i Golden, Colorado.
En række nylige resultater peger på en løsning, siger han: De nye resultater viser en løsning, nemlig at forvandle vinduerne til solpaneler. Tidligere har materialeforskere indlejret lysabsorberende film i vinduesglas. Men sådanne solvinduer har en tendens til at have et rødligt eller brunt skær, som arkitekter finder uappetitligt. De nye teknologier til solvinduer absorberer imidlertid næsten udelukkende usynligt ultraviolet (UV) eller infrarødt lys. Det gør glasset klart og blokerer samtidig for den UV- og infrarøde stråling, der normalt siver igennem glasset, og som undertiden giver uønsket varme. Ved at reducere varmegenvindingen og samtidig generere strøm har vinduerne “enorme perspektiver”, siger Wheeler, herunder muligheden for, at en stor kontorbygning kan drive sig selv.
De fleste solceller, som f.eks. de standardiserede krystallinske siliciumceller, der dominerer industrien, ofrer gennemsigtighed for at maksimere deres effektivitet, dvs. den procentdel af energien i sollyset, der omdannes til elektricitet. De bedste siliciumceller har en effektivitet på 25 %. I mellemtiden er en ny klasse af uigennemsigtige solcellematerialer, kaldet perovskitter, ved at komme tættere på silicium med en topvirkningsgrad på 22 %. Ikke alene er perovskitterne billigere end silicium, de kan også indstilles til at absorbere bestemte lysfrekvenser ved at justere deres kemiske opskrift.
I denne uge rapporterer et hold under ledelse af Richard Lunt, en kemiingeniør fra Michigan State University i East Lansing, i Joule, at det har indstillet materialerne til at udvikle et UV-absorberende perovskit-solvindue med en effektivitet på 0,5 %. Selv om det er et stykke under effektiviteten af de bedste perovskitceller, siger Lunt, at det er højt nok til at drive en anden vinduesteknologi: on-demand mørklægningsglas, der stopper intenst lys i dagtimerne og dermed reducerer en bygnings behov for airconditionering. Lunt mener, at hans team har en klar vej til at nå op på en effektivitet på 4 % i løbet af de næste par år. Med den hastighed vil cellerne kunne drive noget af bygningens belysning og klimaanlæg.
I den anden ende af spektret findes infrarødt lys, som rammer jordens overflade mere intensivt end UV-lys og derfor kan generere mere elektricitet. Sidste år rapporterede Lunts hold i Nature Energy, at de havde fremstillet gennemsigtige, UV- og infrarødabsorberende celler med en effektivitet på 5 % ved hjælp af “organiske” solceller – tynde film-sandwiches af organiske halvledere og metaller. Lunt siger, at fremtidige systemer, der kobler UV-fangende perovskitter til infrarødtfangende organiske stoffer, vil kunne opnå en effektivitet på 20 %, samtidig med at de stadig er næsten helt gennemsigtige.
En tredje metode til klare solvinduer er baseret på såkaldte luminescerende solkoncentratorer. I disse vinduer absorberer kvantepunkter, som er bittesmå halvlederpartikler, lys ved UV- og infrarøde frekvenser og genudsender det ved de bølgelængder, som traditionelle solceller opfanger. Det genudsendte lys koncentreres og ledes sidelæns gennem glasset til solcellestrimler, der er indlejret i vinduesrammen. Da kvantepunkter er billige at fremstille, og der kun er brug for en lille mængde solcellemateriale til at opfange det genudsendte lys, lover disse solvinduer at blive billige. Desuden fungerer solcellerne bedre under intenst, koncentreret lys. Disse vinduer har allerede nået en effektivitet på 3,1 %, rapporterede Victor Klimov, kemiker ved Los Alamos National Laboratory i New Mexico, og hans kolleger i Nature Photonics i januar.
Du skal ikke tælle de halvgennemsigtige vinduer ud endnu, siger Michael McGehee, ekspert i solvinduer og perovskitter ved Stanford University i Palo Alto, Californien. Sidste år tildelte det amerikanske energiministerium f.eks. 2,5 mio. dollars til Next Energy Technologies i Santa Barbara, Californien, til at perfektionere sine halvgennemsigtige organiske solcellevinduer. Virksomheden har nået en effektivitet på 7 % med vinduer, der absorberer halvdelen af det sollys, der rammer dem, inklusive det synlige lys. Det gør dem mørkere end klart glas, men fordi de absorberer lys fra hele spektret snarere end fra bestemte frekvenser, får de ikke den grimme rødlige eller brunlige farve. “Det viser sig, at et vindue, der absorberer omkring halvdelen af lyset i hele det synlige spektrum, ser godt ud”, siger McGehee, der også fungerer som rådgiver for virksomheden.
Wheeler er ikke sikker på, hvilken teknologi der vil ende med at blive den bedste. En faktor vil være giftighed: Glas går i stykker, og mange teknologier til solvinduer indeholder en lille mængde giftige materialer. Teknologierne skal også være holdbare nok til at holde i årtier, som byggeindustrien kræver. Men han siger, at det er et sikkert bud på, at fremtidige bygninger ikke vil trække al deres strøm fra nettet. De vil også generere den. “Bygherrerne er alligevel nødt til at sætte vinduer ind”, siger Wheeler. “Hvorfor ikke udnytte disse vinduer?”