Okno słoneczne stworzone przez naukowców z Michigan State University w East Lansing osiągnęło wydajność 5% przy użyciu organicznych układów fotowoltaicznych.
RICHARD LUNT/MICHIGAN STATE UNIVERSITY
Lance Wheeler patrzy na szkliste drapacze chmur i widzi niewykorzystany potencjał. Jego zdaniem domy i budynki biurowe odpowiadają za 75% zużycia energii elektrycznej w Stanach Zjednoczonych i 40% całkowitego zużycia energii w tym kraju. Okna, jako że przeciekają energię, stanowią dużą część tego problemu. „Wszystko, co możemy zrobić, aby to złagodzić, będzie miało bardzo duży wpływ,” mówi Wheeler, ekspert w dziedzinie energii słonecznej w Narodowym Laboratorium Energii Odnawialnej w Golden, Colorado.
Seria ostatnich wyników wskazuje na rozwiązanie, mówi: Zamień okna w panele słoneczne. W przeszłości naukowcy zajmujący się materiałami osadzali w szkle okiennym folie pochłaniające światło. Jednak takie okna słoneczne mają zwykle czerwonawy lub brązowy odcień, który architekci uważają za nieatrakcyjny. Nowe technologie okien słonecznych pochłaniają jednak prawie wyłącznie niewidzialne światło ultrafioletowe (UV) lub podczerwone. Dzięki temu szkło pozostaje przejrzyste, a jednocześnie blokuje promieniowanie ultrafioletowe i podczerwone, które normalnie przez nie przenika, czasami dostarczając niepożądanego ciepła. Ograniczając zyski ciepła przy jednoczesnym generowaniu energii, okna „mają ogromne perspektywy”, mówi Wheeler, włączając w to możliwość, że duży budynek biurowy mógłby zasilać się sam.
Większość ogniw słonecznych, jak standardowe krystaliczne ogniwa krzemowe, które dominują w przemyśle, poświęcają przejrzystość, aby zmaksymalizować ich wydajność, procent energii w świetle słonecznym przekształcony w elektryczność. Najlepsze ogniwa krzemowe mają sprawność na poziomie 25%. Tymczasem nowa klasa nieprzezroczystych materiałów do produkcji ogniw słonecznych, zwanych perowskitami, zbliża się do krzemu, osiągając najwyższą sprawność na poziomie 22%. Perowskity są nie tylko tańsze od krzemu, ale również mogą być dostosowane do pochłaniania określonych częstotliwości światła poprzez zmianę ich receptury chemicznej.
W tym tygodniu w Joule, zespół kierowany przez Richarda Lunt, inżyniera chemicznego z Michigan State University w East Lansing, donosi, że dostroił materiały do opracowania pochłaniającego promieniowanie UV perowskitowego okna słonecznego o wydajności 0,5%. Chociaż jest to o wiele mniej niż wydajność najlepszych ogniw perowskitowych, Lunt twierdzi, że jest ona wystarczająco wysoka, aby zasilić inną technologię okienną: szkło przyciemniające na żądanie, które zatrzymuje intensywne światło w upalne dni, zmniejszając w ten sposób zapotrzebowanie budynku na klimatyzację. Lunt uważa, że jego zespół ma jasną drogę do osiągnięcia sprawności na poziomie 4% w ciągu najbliższych kilku lat. W tym tempie ogniwa mogłyby zasilać część oświetlenia i klimatyzacji budynku.
Na drugim końcu spektrum znajduje się światło podczerwone, które uderza w powierzchnię Ziemi bardziej intensywnie niż światło UV i dlatego może generować więcej energii elektrycznej. W zeszłym roku, w Nature Energy, zespół Lunt’a poinformował, że udało mu się stworzyć przezroczyste, pochłaniające promieniowanie UV i podczerwone ogniwa o sprawności rzędu 5%, wykorzystując „organiczne” ogniwa fotowoltaiczne – cienkie foliowe kanapki z organicznych półprzewodników i metali. Lunt twierdzi, że przyszłe systemy, które łączą perowskity wychwytujące promieniowanie UV z organikami wychwytującymi promieniowanie podczerwone, mogłyby osiągnąć sprawność rzędu 20%, będąc przy tym niemal całkowicie przezroczystymi.
Trzecie podejście do czystych okien słonecznych opiera się na tak zwanych luminescencyjnych koncentratorach słonecznych. W tych oknach kropki kwantowe, które są maleńkimi cząsteczkami półprzewodnikowymi, absorbują światło o częstotliwościach ultrafioletowych i podczerwonych i emitują je ponownie o długościach fal, które wychwytują tradycyjne ogniwa słoneczne. Wyemitowane światło jest skupiane i kierowane na boki, przez szybę, do pasków ogniw słonecznych wbudowanych w ramę okna. Ponieważ kropki kwantowe są tanie w produkcji i tylko niewielka ilość materiału ogniwa słonecznego jest potrzebna do przechwycenia wyemitowanego światła, okna słoneczne będą niedrogie. Co więcej, ogniwa słoneczne działają lepiej w intensywnym, skoncentrowanym świetle. Victor Klimov, chemik z Los Alamos National Laboratory w Nowym Meksyku i jego koledzy donieśli w Nature Photonics w styczniu, że te okna osiągnęły już wydajność 3,1%.
Nie należy jeszcze odliczać półprzezroczystych okien, mówi Michael McGehee, ekspert od okien słonecznych i perowskitów na Uniwersytecie Stanforda w Palo Alto w Kalifornii. Na przykład w zeszłym roku Departament Energii USA przyznał 2,5 miliona dolarów firmie Next Energy Technologies z Santa Barbara w Kalifornii na udoskonalenie jej półprzezroczystych okien z organicznymi ogniwami słonecznymi. Firma osiągnęła sprawność rzędu 7% w przypadku okien, które pochłaniają połowę padającego na nie światła słonecznego, w tym światła widzialnego. Przyciemnia to je w porównaniu z czystym szkłem, ale ponieważ pochłaniają one światło z całego spektrum, a nie z określonych częstotliwości, nie przybierają nieestetycznego czerwonawego lub brązowawego odcienia. „Okazuje się, że okno, które pochłania około połowy światła z całego spektrum widzialnego, wygląda świetnie”, mówi McGehee, który jest również doradcą firmy.
Wheeler nie jest pewien, która technologia znajdzie się na szczycie. Jednym z czynników będzie toksyczność: Szkło pęka, a wiele technologii okien słonecznych zawiera niewielką ilość materiałów toksycznych. Technologie te muszą być również wystarczająco trwałe, aby przetrwać dziesięciolecia, zgodnie z wymaganiami przemysłu budowlanego. Według niego można jednak bezpiecznie oczekiwać, że przyszłe budynki nie będą pobierać całej energii z sieci. Będą ją również wytwarzać. „Budowniczowie i tak muszą wstawiać okna” – mówi Wheeler. „Dlaczego nie wykorzystać tych okien?”
.