O fereastră solară creată de oamenii de știință de la Michigan State University din East Lansing a atins un randament de 5% folosind fotovoltaice organice.
RICHARD LUNT/MICHIGAN STATE UNIVERSITY
Lance Wheeler se uită la zgârie-nori sticloși și vede un potențial neexploatat. Casele și clădirile de birouri, spune el, reprezintă 75% din consumul de electricitate din Statele Unite și 40% din consumul de energie în general. Ferestrele, pentru că au scurgeri de energie, reprezintă o mare parte a problemei. „Orice putem face pentru a atenua acest aspect va avea un impact foarte mare”, spune Wheeler, expert în energie solară la National Renewable Energy Laboratory din Golden, Colorado.
O serie de rezultate recente indică o soluție, spune el: Transformarea ferestrelor în panouri solare. În trecut, oamenii de știință din domeniul materialelor au încorporat pelicule care absorb lumina în sticla ferestrelor. Dar astfel de ferestre solare tind să aibă o nuanță roșiatică sau maro pe care arhitecții o consideră neatrăgătoare. Cu toate acestea, noile tehnologii de ferestre solare absorb aproape exclusiv lumina invizibilă ultravioletă (UV) sau infraroșie. Astfel, sticla rămâne clară, blocând în același timp radiațiile UV și infraroșii care, în mod normal, se scurg prin ea, furnizând uneori căldură nedorită. Prin reducerea câștigului de căldură în timp ce generează energie, ferestrele „au perspective uriașe”, spune Wheeler, inclusiv posibilitatea ca o clădire mare de birouri să se alimenteze singură.
Majoritatea celulelor solare, cum ar fi celulele standard din siliciu cristalin care domină industria, sacrifică transparența pentru a-și maximiza eficiența, procentul de energie din lumina solară convertit în electricitate. Cele mai bune celule din siliciu au o eficiență de 25%. Între timp, o nouă clasă de materiale opace pentru celulele solare, numite perovskite, se apropie de siliciu cu randamente de top de 22%. Nu numai că perovskitele sunt mai ieftine decât siliciul, dar pot fi, de asemenea, reglate pentru a absorbi anumite frecvențe de lumină prin modificarea rețetei lor chimice.
În această săptămână, în Joule, o echipă condusă de Richard Lunt, un inginer chimist de la Michigan State University din East Lansing, raportează că a reglat materialele pentru a dezvolta o fereastră solară perovskită care absoarbe razele UV cu o eficiență de 0,5%. Deși această valoare este cu patru brațe sub eficiența celor mai bune celule perovskite, Lunt spune că este suficient de mare pentru a alimenta o altă tehnologie de fereastră: geamul de întunecare la cerere care oprește lumina intensă în timpul căldurii zilei, reducând astfel nevoia de aer condiționat a unei clădiri. Lunt crede că echipa sa are o cale clară pentru a ajunge la o eficiență de 4% în următorii câțiva ani. În acest ritm, celulele ar putea alimenta o parte din iluminatul și aerul condiționat al clădirii.
La celălalt capăt al spectrului se află lumina infraroșie, care lovește suprafața Pământului mai intens decât lumina UV și, prin urmare, poate genera mai multă electricitate. Anul trecut, în Nature Energy, echipa lui Lunt a anunțat că a realizat celule transparente, care absorb razele UV și infraroșii, cu o eficiență de 5%, folosind fotovoltaice „organice” – sandwich-uri de pelicule subțiri din semiconductori organici și metale. Lunt spune că viitoarele sisteme care îmbină perovskitele care captează UV cu cele organice care captează infraroșu ar putea atinge randamente de 20%, fiind în același timp aproape în întregime transparente.
O a treia abordare a ferestrelor solare transparente se bazează pe așa-numiții concentratori solari luminescenți. În aceste ferestre, punctele cuantice, care sunt mici particule semiconductoare, absorb lumina la frecvențe UV și infraroșii și o reemit la lungimile de undă pe care le captează celulele solare tradiționale. Lumina reemisă este concentrată și redirecționată lateral, prin sticlă, către benzi de celule solare încorporate în rama ferestrei. Deoarece punctele cuantice sunt ieftine de fabricat și pentru a capta lumina reemisă este nevoie doar de o cantitate mică de material de celule solare, aceste ferestre solare promit să fie ieftine. În plus, celulele solare funcționează mai bine în condiții de lumină intensă și concentrată. Deja aceste ferestre au atins randamente de 3,1%, au raportat Victor Klimov, chimist la Laboratorul Național Los Alamos din New Mexico, și colegii săi în Nature Photonics în ianuarie.
Nu excludeți încă ferestrele semitransparente, spune Michael McGehee, expert în ferestre solare și perovskite la Universitatea Stanford din Palo Alto, California. Anul trecut, de exemplu, Departamentul de Energie al SUA a acordat 2,5 milioane de dolari companiei Next Energy Technologies din Santa Barbara, California, pentru a-și perfecționa ferestrele cu celule solare organice semitransparente. Compania a atins randamente de 7% cu ferestre care absorb jumătate din lumina solară incidentă care le atinge, inclusiv lumina vizibilă. Acest lucru le întunecă în comparație cu sticla transparentă, dar, deoarece absorb lumina din întregul spectru și nu de la anumite frecvențe, ele nu capătă o nuanță roșiatică sau maronie inestetică. „Se pare că o fereastră care absoarbe aproximativ jumătate din lumina din tot spectrul vizibil arată foarte bine”, spune McGehee, care este, de asemenea, consilier al companiei.
Wheeler nu este sigur ce tehnologie va ajunge în top. Un factor va fi toxicitatea: Sticla se sparge, iar multe tehnologii de ferestre solare conțin o cantitate mică de materiale toxice. De asemenea, tehnologiile trebuie să fie suficient de durabile pentru a rezista zeci de ani, așa cum cere industria construcțiilor. Dar el spune că este un pariu sigur să ne așteptăm ca viitoarele clădiri să nu-și tragă toată energia de la rețea. Ele o vor genera, de asemenea. „Constructorii trebuie oricum să monteze ferestre”, spune Wheeler. „De ce să nu ne folosim de aceste ferestre?”
.