A Michigan State University (East Lansing) tudósai által készített napenergia ablak 5%-os hatékonyságot ért el szerves fotovoltaikával.
RICHARD LUNT/MICHIGAN STATE UNIVERSITY
Lance Wheeler üvegfelhőkarcolókra néz, és kiaknázatlan lehetőségeket lát. Szerinte a lakóházak és az irodaházak az Egyesült Államok villamosenergia-felhasználásának 75%-át, összességében pedig az energiafelhasználás 40%-át teszik ki. Az ablakok, mivel szivárogtatják az energiát, a probléma nagy részét képezik. “Bármi, amit ennek mérséklésére tehetünk, nagyon nagy hatással lesz” – mondja Wheeler, a Colorado állambeli Goldenben működő Nemzeti Megújuló Energia Laboratórium napenergia-szakértője.
A közelmúltban elért eredmények sorozata szerinte megoldás felé mutat: Az ablakok napelemekké alakítása. A múltban az anyagtudósok fényelnyelő filmeket ágyaztak be az ablaküvegbe. De az ilyen napelemes ablakok általában vöröses vagy barna árnyalatúak, amit az építészek nem találnak vonzónak. Az új napelemes ablaktechnológiák azonban szinte kizárólag a láthatatlan ultraibolya (UV) vagy infravörös fényt nyelik el. Ezáltal az üveg átlátszó marad, miközben blokkolja az UV- és infravörös sugárzást, amely normális esetben átszivárog rajta, és néha nem kívánt hőt szállít. Wheeler szerint azáltal, hogy a hőnyereséget csökkentik, miközben energiát termelnek, az ablakoknak “óriási kilátásai vannak”, beleértve annak lehetőségét, hogy egy nagy irodaépület önmagát is elláthatja energiával.
A legtöbb napelem, mint például az iparágat uraló hagyományos kristályos szilíciumcellák, feláldozzák az átláthatóságot, hogy maximalizálják hatékonyságukat, azaz a napfény energiájának elektromossággá alakított százalékát. A legjobb szilíciumcellák hatásfoka 25%. Eközben az átlátszatlan napelemek új osztálya, az úgynevezett perovszkitok 22%-os hatásfokkal közelítenek a szilíciumhoz. A perovszkitok nem csak olcsóbbak, mint a szilícium, hanem a kémiai receptjük módosításával úgy is hangolhatók, hogy bizonyos fényfrekvenciákat elnyeljenek.
A Joule e heti számában egy Richard Lunt, a kelet-lansingi Michigan Állami Egyetem vegyészmérnöke által vezetett csoport arról számol be, hogy az anyagokat úgy hangolták, hogy 0,5%-os hatékonyságú, UV-abszorbens perovszkit napelemes ablakot fejlesszenek ki. Bár ez messze elmarad a legjobb perovszkitcellák hatékonyságától, Lunt szerint elég magas ahhoz, hogy egy másik ablaktechnológiát működtessen: az igény szerinti sötétítő üveget, amely a nappali hőségben megállítja az intenzív fényt, ezáltal csökkentve az épületek légkondicionálási igényét. Lunt úgy véli, hogy csapatának egyértelmű útja van ahhoz, hogy a következő néhány évben elérje a 4%-os hatékonyságot. Ezzel az ütemmel a cellák az épület világításának és légkondicionálásának egy részét is elláthatnák energiával.
A spektrum másik végén az infravörös fény áll, amely intenzívebben éri a Föld felszínét, mint az UV-fény, és ezért több villamos energiát tud termelni. Tavaly a Nature Energy című szaklapban Lunt csapata arról számolt be, hogy “szerves” fotovoltaikát – szerves félvezetőkből és fémekből álló vékony filmszendvicseket – használva 5%-os hatásfokú, átlátszó, UV- és infravörös fényt elnyelő cellákat készített. Lunt szerint a jövőbeni rendszerek, amelyek az UV-sugárzást elnyelő perovszkitokat infravörös sugárzást elnyelő szerves anyagokkal kötik össze, 20%-os hatásfokot érhetnek el, miközben szinte teljesen átlátszóak maradnak.
A harmadik megközelítés az átlátszó napelemes ablakokhoz az úgynevezett lumineszcens napenergia-koncentrátorokra épül. Ezekben az ablakokban a kvantumpontok, amelyek apró félvezető részecskék, elnyelik a fényt az UV és infravörös frekvenciákon, és újra kibocsátják azt azokon a hullámhosszakon, amelyeket a hagyományos napelemek befognak. Az újra kisugárzott fényt koncentrálják, és az üvegen keresztül oldalirányban, az ablakkeretbe ágyazott napelemcsíkokra irányítják. Mivel a kvantumpontok előállítása olcsó, és csak kis mennyiségű napelem-anyagra van szükség az újra kisugárzott fény befogásához, ezek a napelemes ablakok olcsónak ígérkeznek. Ráadásul a napelemek jobban működnek intenzív, koncentrált fényben. Victor Klimov, az új-mexikói Los Alamos Nemzeti Laboratórium vegyésze és kollégái a Nature Photonics januári számában számoltak be a 3,1%-os hatásfok eléréséről.
Ne számoljunk még a félig átlátszó ablakokkal, mondja Michael McGehee, a kaliforniai Palo Altóban található Stanford Egyetem napelemes ablakok és perovszkitok szakértője. Tavaly például az amerikai energiaügyi minisztérium 2,5 millió dollárt ítélt oda a kaliforniai Santa Barbarában működő Next Energy Technologies vállalatnak, hogy tökéletesítse a félig átlátszó szerves napelemes ablakokat. A vállalat 7%-os hatásfokot ért el olyan ablakokkal, amelyek az őket érő napfény felét elnyelik, beleértve a látható fényt is. Ez az átlátszó üveghez képest sötétíti őket, de mivel nem bizonyos frekvenciákon, hanem az egész spektrumban elnyelik a fényt, nem veszik fel a csúnya vöröses vagy barnás árnyalatot. “Kiderült, hogy egy olyan ablak, amely a fény körülbelül felét elnyeli az egész látható spektrumban, nagyszerűen néz ki” – mondja McGehee, aki a vállalat tanácsadója is.
Wheeler nem biztos benne, hogy melyik technológia kerül a csúcsra. Az egyik tényező a toxicitás lesz: Az üveg törik, és sok napelemes ablaktechnológia tartalmaz kis mennyiségű mérgező anyagot. A technológiáknak emellett elég tartósnak kell lenniük ahhoz, hogy évtizedekig kitartsanak, ahogyan azt az építőipar megköveteli. De szerinte biztosra vehető, hogy a jövő épületei nem fogják az összes energiát a hálózatból venni. Termelni is fognak. “Az építőknek mindenképpen ablakokat kell beépíteniük” – mondja Wheeler. “Miért ne használhatnánk fel ezeket az ablakokat?”