Michiganin osavaltionyliopiston tiedemiesten East Lansingissa luoman aurinkoikkunan hyötysuhde oli 5 % orgaanista aurinkosähköä käyttäen.
RICHARD LUNT/MICHIGAN STATE UNIVERSITY
Lance Wheeler katsoo lasisia pilvenpiirtäjiä ja näkee hyödyntämättömiä mahdollisuuksia. Hänen mukaansa talot ja toimistorakennukset vastaavat 75 prosentista Yhdysvaltojen sähkönkulutuksesta ja 40 prosentista koko Yhdysvaltojen energiankulutuksesta. Ikkunat ovat suuri osa ongelmaa, koska ne vuotavat energiaa. ”Kaikella, mitä voimme tehdä sen vähentämiseksi, on erittäin suuri vaikutus”, sanoo Wheeler, joka on aurinkoenergia-asiantuntija National Renewable Energy Laboratoryssa Goldenissa, Coloradossa.
Sarja viimeaikaisia tuloksia viittaa hänen mukaansa ratkaisuun: Muutetaan ikkunat aurinkopaneeleiksi. Aiemmin materiaalitutkijat ovat upottaneet valoa absorboivia kalvoja ikkunalasiin. Tällaisilla aurinkoikkunoilla on kuitenkin yleensä punertava tai ruskea sävy, jota arkkitehdit eivät pidä houkuttelevana. Uudet aurinkoikkunatekniikat imevät kuitenkin lähes yksinomaan näkymätöntä ultravioletti- (UV) tai infrapunavaloa. Tämä jättää lasin kirkkaaksi ja estää samalla UV- ja infrapunasäteilyä, joka normaalisti vuotaa lasin läpi ja tuottaa joskus ei-toivottua lämpöä. Wheeler sanoo, että koska ikkunat vähentävät lämmöntuottoa ja tuottavat samalla sähköä, niillä on ”valtavat mahdollisuudet”, mukaan lukien mahdollisuus, että suuri toimistorakennus voisi tuottaa sähköä itsestään.
Useimmat aurinkokennot, kuten tavanomaiset kiteiset piikennot, jotka hallitsevat teollisuutta, uhraavat läpinäkyvyyden maksimoidakseen hyötysuhteensa, eli prosenttiosuuden auringonvalon energiasta, joka muunnetaan sähköksi. Parhaiden piikennojen hyötysuhde on 25 prosenttia. Uusi luokka läpinäkymättömiä aurinkokennomateriaaleja, joita kutsutaan perovskiiteiksi, on lähestymässä piitä 22 prosentin huipputehokkuudella. Sen lisäksi, että perovskiitit ovat piitä halvempia, ne voidaan myös virittää absorboimaan tiettyjä valotaajuuksia muokkaamalla niiden kemiallista reseptiä.
Tällä viikolla Joule-lehdessä Michiganin valtionyliopiston East Lansingissa sijaitsevan kemian insinöörin Richard Luntin johtama työryhmä raportoi virittäneensä materiaaleja kehittämällä UV-säteilyä absorboivan perovskiittiaurinkokennon, jonka hyötysuhde on 0,5 prosenttia. Vaikka hyötysuhde alittaa parhaiden perovskiittikennojen hyötysuhteen, se on Luntin mukaan riittävän korkea, jotta sillä voitaisiin käyttää toista ikkunateknologiaa: tarpeen mukaan pimentävää lasia, joka pysäyttää voimakkaan valon päivän kuumuudessa ja vähentää siten rakennuksen ilmastoinnin tarvetta. Lunt uskoo, että hänen tiimillään on selkeät mahdollisuudet saavuttaa 4 prosentin hyötysuhde lähivuosina. Tällä nopeudella kennot voisivat tuottaa virtaa osalle rakennuksen valaistuksesta ja ilmastoinnista.
Spektrin toisessa päässä on infrapunavalo, joka osuu maapallon pintaan voimakkaammin kuin UV-valo ja voi siksi tuottaa enemmän sähköä. Viime vuonna Nature Energy -lehdessä Luntin työryhmä kertoi tehneensä läpinäkyviä, UV- ja infrapunasäteilyä absorboivia kennoja, joiden hyötysuhde oli 5 %, käyttäen ”orgaanista” aurinkosähköä – orgaanisista puolijohteista ja metalleista koostuvia ohuita kalvovoilevyjä. Luntin mukaan tulevat järjestelmät, joissa UV-säteilyn vangitsevat perovskiitit yhdistetään infrapunasäteilyn vangitseviin orgaanisiin aineisiin, voivat saavuttaa 20 prosentin hyötysuhteen ja olla silti lähes täysin läpinäkyviä.
Kolmas lähestymistapa kirkkaisiin aurinkoikkunoihin perustuu niin sanottuihin luminesoiviin aurinkokeskittimiin. Näissä ikkunoissa kvanttipisteet, jotka ovat pieniä puolijohdehiukkasia, imevät valoa UV- ja infrapunataajuuksilla ja säteilevät sitä uudelleen aallonpituuksilla, joita perinteiset aurinkokennot sieppaavat. Uudelleen emittoitunut valo keskitetään ja ohjataan lasin läpi sivusuunnassa ikkunan kehykseen upotettuihin aurinkokennoliuskoihin. Koska kvanttipisteet ovat halpoja valmistaa ja uudelleen emittoituvan valon keräämiseen tarvitaan vain pieni määrä aurinkokennomateriaalia, nämä aurinkoikkunat lupaavat olla edullisia. Lisäksi aurinkokennot toimivat paremmin voimakkaassa, keskittyneessä valossa. Näillä ikkunoilla on jo saavutettu 3,1 prosentin hyötysuhde, kertoivat New Mexicossa sijaitsevan Los Alamosin kansallisen laboratorion kemisti Victor Klimov ja hänen kollegansa Nature Photonics -lehdessä tammikuussa.
Puoliksi läpinäkyviä ikkunoita ei kannata vielä sulkea pois, sanoo Michael McGehee, aurinkoikkunoiden ja perovskiittien asiantuntija Stanfordin yliopistossa Kalifornian Palo Altossa. Esimerkiksi viime vuonna Yhdysvaltain energiaministeriö myönsi 2,5 miljoonaa dollaria Santa Barbarassa, Kaliforniassa toimivalle Next Energy Technologies -yhtiölle sen puoliksi läpinäkyvien orgaanisten aurinkokennojen ikkunoiden täydellistämiseksi. Yritys on saavuttanut 7 prosentin hyötysuhteen ikkunoilla, jotka absorboivat puolet niihin osuvasta auringonvalosta, myös näkyvästä valosta. Tämä tummentaa niitä kirkkaaseen lasiin verrattuna, mutta koska ne absorboivat valoa koko spektristä eivätkä tietyiltä taajuuksilta, ne eivät saa rumaa punertavaa tai ruskehtavaa sävyä. ”On käynyt ilmi, että ikkuna, joka absorboi noin puolet valosta koko näkyvän spektrin alueella, näyttää hyvältä”, sanoo McGehee, joka toimii myös yrityksen neuvonantajana.
Wheeler ei ole varma, kumpi teknologia päätyy kärkeen. Yksi tekijä on myrkyllisyys: Lasi rikkoutuu, ja monet aurinkoikkunateknologiat sisältävät pienen määrän myrkyllisiä aineita. Teknologioiden on myös oltava riittävän kestäviä kestääkseen vuosikymmeniä, kuten rakennusteollisuus vaatii. Hänen mukaansa on kuitenkin turvallista odottaa, että tulevaisuuden rakennukset eivät vedä kaikkea virtaa sähköverkosta. Ne myös tuottavat sitä. ”Rakentajien on joka tapauksessa asennettava ikkunoita”, Wheeler sanoo. ”Mikseivät he voisi hyödyntää näitä ikkunoita?”