Ett solfönster som skapats av forskare vid Michigan State University i East Lansing uppnådde en verkningsgrad på 5 % med hjälp av organiska solceller.
RICHARD LUNT/MICHIGAN STATE UNIVERSITY
Lance Wheeler tittar på glasiga skyskrapor och ser outnyttjad potential. Hus och kontorsbyggnader, säger han, står för 75 procent av elförbrukningen i USA och 40 procent av landets totala energianvändning. Fönster är en stor del av problemet eftersom de läcker energi. ”Allt vi kan göra för att minska detta kommer att ha en mycket stor inverkan”, säger Wheeler, som är expert på solenergi vid National Renewable Energy Laboratory i Golden, Colorado.
En rad nya resultat pekar på en lösning, säger han: Förvandla fönstren till solpaneler. Tidigare har materialforskare bäddat in ljusabsorberande filmer i fönsterglas. Men sådana solfönster tenderar att ha en rödaktig eller brun nyans som arkitekter inte tycker är tilltalande. Den nya tekniken för solfönster absorberar dock nästan uteslutande osynligt ultraviolett (UV) eller infrarött ljus. Detta gör att glaset blir klart samtidigt som det blockerar den UV- och infraröda strålning som normalt läcker genom glaset och ibland ger oönskad värme. Genom att minska värmetillväxten och samtidigt generera energi har fönstren ”enorma framtidsutsikter”, säger Wheeler, inklusive möjligheten att en stor kontorsbyggnad skulle kunna driva sig själv.
De flesta solceller, som de standardiserade kristallina kiselcellerna som dominerar branschen, offrar transparens för att maximera sin verkningsgrad, dvs. den procentuella andel av energin i solljuset som omvandlas till elektricitet. De bästa kiselcellerna har en verkningsgrad på 25 %. Under tiden närmar sig en ny klass av ogenomskinliga solcellsmaterial, så kallade perovskiter, kisel med en toppeffektivitet på 22 %. Perovskiterna är inte bara billigare än kisel, de kan också ställas in så att de absorberar specifika ljusfrekvenser genom att ändra det kemiska receptet.
Denna vecka i Joule rapporterar en grupp under ledning av Richard Lunt, kemiingenjör vid Michigan State University i East Lansing, att de har ställt in materialen så att de har utvecklat ett UV-absorberande solfönster av perovskit med en verkningsgrad på 0,5 %. Även om detta är flera famnar under effektiviteten hos de bästa perovskitcellerna, säger Lunt att det är tillräckligt högt för att driva en annan fönsterteknik: mörkläggningsglas på begäran som stoppar intensivt ljus i dagsljusets hetta och därmed minskar en byggnads behov av luftkonditionering. Lunt anser att hans team har en tydlig väg att gå för att nå en verkningsgrad på 4 % under de närmaste åren. Med den hastigheten skulle cellerna kunna driva en del av byggnadens belysning och luftkonditionering.
I andra änden av spektrumet finns infrarött ljus, som träffar jordens yta mer intensivt än UV-ljus och därför kan generera mer elektricitet. Förra året rapporterade Lunts grupp i Nature Energy att de hade tillverkat genomskinliga, UV- och infrarödabsorberande celler med en verkningsgrad på 5 % med hjälp av ”organiska” solceller, dvs. tunnfilmssandwichar av organiska halvledare och metaller. Lunt säger att framtida system där UV-fångande perovskiter kopplas samman med organiska ämnen som fångar infraröda strålar skulle kunna uppnå en verkningsgrad på 20 %, samtidigt som de fortfarande är nästan helt genomskinliga.
En tredje metod för att skapa genomskinliga solfönster bygger på s.k. luminescerande solkoncentratorer. I dessa fönster absorberar kvantprickar, som är små halvledarpartiklar, ljus vid UV- och infraröda frekvenser och återutsänder det vid de våglängder som traditionella solceller fångar upp. Det återutsända ljuset koncentreras och leds i sidled, genom glaset, till solcellsremsor som är inbäddade i fönsterkarmen. Eftersom kvantprickar är billiga att tillverka och endast en liten mängd solcellsmaterial behövs för att fånga upp det återutsända ljuset, lovar dessa solfönster att bli billiga. Dessutom fungerar solceller bättre i intensivt, koncentrerat ljus. Dessa fönster har redan uppnått en effektivitet på 3,1 %, rapporterade Victor Klimov, kemist vid Los Alamos National Laboratory i New Mexico, och hans kollegor i Nature Photonics i januari.
Räkna inte bort de halvgenomskinliga fönstren än, säger Michael McGehee, expert på solfönster och perovskiter vid Stanford University i Palo Alto, Kalifornien. Förra året beviljade till exempel det amerikanska energidepartementet 2,5 miljoner dollar till Next Energy Technologies i Santa Barbara, Kalifornien, för att förbättra sina halvgenomskinliga organiska solcellsfönster. Företaget har uppnått en verkningsgrad på 7 % med fönster som absorberar hälften av det infallande solljuset som träffar dem, inklusive synligt ljus. Det gör dem mörkare än klart glas, men eftersom de absorberar ljus från hela spektrumet snarare än från specifika frekvenser, får de inte den fula rödaktiga eller brunaktiga färgen. ”Det visar sig att ett fönster som absorberar ungefär hälften av ljuset i hela det synliga spektrumet ser bra ut”, säger McGehee, som också är rådgivare till företaget.
Wheeler är inte säker på vilken teknik som kommer att hamna i topp. En faktor kommer att vara toxicitet: Glas går sönder, och många tekniker för solfönster innehåller en liten mängd giftiga material. Teknikerna måste också vara tillräckligt hållbara för att hålla i årtionden, vilket byggnadsindustrin kräver. Men han säger att det är ett säkert kort att förvänta sig att framtida byggnader inte kommer att dra all sin energi från elnätet. De kommer också att generera den. ”Byggare måste ändå sätta in fönster”, säger Wheeler. ”Varför inte dra nytta av dessa fönster?”