Перовскитни слънчеви клетки: Потенциалът на прозрачните фотоволтаици за съвременни сгради и фотоволтаични проекти – Изображение: Xpert.Digital
Прозрачен енергиен преход: Производство на електроенергия чрез иновативна технология за прозорци
Перовскитни слънчеви клетки: Бъдещите създатели на интелигентни прозорци
Разработването на прозрачни, високоефективни слънчеви клетки открива нови перспективи за интегриране на фотоволтаици в сгради. Перовскитните слънчеви клетки, по-специално, се очертаха през последните години като обещаващ кандидат за това приложение. С ефективност до 31,6%, възможност за прозрачни конструкции и рентабилно производство, те биха могли да революционизират използването на слънчева енергия. Настоящите изследвания показват, че досега проблематичната стабилност на тези клетки е значително подобрена. Приложенията им като интелигентни прозорци, които не само генерират електричество, но и могат да регулират прозрачността си спрямо околните условия, са особено обещаващи.
Свързано с това:
Основи на перовскитната слънчева технология
Перовскитните слънчеви клетки представляват сравнително ново развитие във фотоволтаиката, като интензивните изследвания започват едва през 2009 г. Те дължат името си на минерала перовскит, чиято характерна кристална структура проявяват. Тези слънчеви клетки са базирани на така наречените халогенидни перовскити, хибриден материал, съставен от положително заредени органични компоненти като метиламониеви катиони и неорганични метални соли като оловен йодид. Техният уникален материален състав и структура се различават коренно от традиционните силициеви слънчеви клетки, което ги прави обещаващ кандидат за бъдещето на слънчевата енергия.
Функционалността на перовскитните слънчеви клетки се основава на отличната им способност да преобразуват слънчевата светлина в електрическа енергия. Учени от изследователския център в Юлих са открили, чрез нови измервания на фотолуминесценция, че свободните носители на заряд в перовскитните слънчеви клетки вероятно са изключително добре защитени от разпад, което може да е ключова причина за тяхната висока ефективност. Времето на живот на възбудените носители на заряд в материала е решаващ фактор за ефективността на тези слънчеви клетки, тъй като определя колко дълго електроните, освободени от светлината, остават налични и могат да допринесат за генерирането на енергия.
През последните години технологичното развитие на тези слънчеви клетки отбеляза впечатляващ напредък. Докато първите перовскитни слънчеви клетки имаха скромна ефективност от само 4%, най-новите модели редовно постигат ефективност от над 20%. Институтът Фраунхофер дори постигна рекордна стойност от 31,6%, докато немската компания Qcells достигна ефективност от 28,6%.
Предимства на прозрачните перовскитни слънчеви клетки
Най-забележителната характеристика на перовскитните слънчеви клетки в сравнение с конвенционалните силициеви модули е техният потенциал за прозрачност, съчетан с висока ефективност. Това свойство открива изцяло нови възможности за приложение, особено в областта на фотоволтаичните системи, интегрирани в сгради. Прозрачни или полупрозрачни слънчеви клетки могат да бъдат интегрирани в повърхностите на прозорците, което позволява на сградите не само да пропускат светлина, но и едновременно с това да генерират електричество.
Степента на прозрачност може да се регулира по време на производствения процес в зависимост от изискванията, въпреки че трябва да се отбележи, че ефективността на преобразуване на енергията намалява с увеличаване на прозрачността. Най-високата измерена ефективност на преобразуване за прозрачни версии в момента е забележителните 17,9 процента. Изследователският проект IMPRESSIVE демонстрира, че комбинация от технологии може да преобразува слънчевата енергия с ефективност от 14 процента при средна пропускливост на светлината над 55 процента. Полупрозрачните UV перовскитни клетки дори постигат ефективност над 10 процента при пропускливост на светлината от приблизително 60 процента.
Освен прозрачността си, перовскитните слънчеви клетки предлагат и други забележителни предимства. Те са сравнително евтини и лесни за производство, подобно на тънкослойните слънчеви модули. Производството е значително по-малко енергоемко в сравнение със силиция, тъй като перовскитите могат да се произвеждат с помощта на прости, мащабируеми процеси, като например печат от ролка на ролка. Освен това, необходимите суровини обикновено са лесно достъпни, което поддържа ниски разходи за материали.
Друго решаващо предимство е лекотата и гъвкавостта на перовскитните слънчеви клетки. Те могат да се нанасят като ултратънки слоеве върху различни основи, което значително разширява възможностите им за приложение. Това свойство позволява иновативни приложения в преносими устройства, превозни средства или интегрирани в сгради фотоволтаични решения, като например слънчеви прозорци или фасадни модули.
Иновативни приложения в интеграцията на сгради
Възможността да се направят перовскитните слънчеви клетки прозрачни ги прави особено привлекателни за фотоволтаични системи, интегрирани в сгради (BIPV), където слънчевите клетки заместват традиционните строителни материали като прозорци. Вграждането на перовскита между стъклата позволява на слънчевите клетки да служат като действителна фасада и стена на сградата, като едновременно с това генерират електричество за употреба на място или за захранване с мрежата.
Panasonic Holdings представи конкретен пример за това иновативно приложение, демонстрирайки полупрозрачни стъклени балюстради с перовскитни слънчеви клетки на балкона на моделна къща южно от Токио. Тези прототипи демонстрират потенциала за интегриране на перовскитната технология в ежедневните строителни елементи. Физици в Лайпциг също така разработиха прозрачна слънчева клетка, която може да се отлага чрез пара директно върху стъкло на прозорец, потенциално превръщайки цели фасади в електроцентрали.
Разработките в областта на термохромните или „умните“ прозорци са особено обещаващи. Учени от Калифорнийския университет в Бъркли са разработили функционално разширение за фотоволтаичен прозорец, който променя цвета и прозрачността си с промени в температурата и може да генерира електричество, когато е затъмнен. Обратимото превключване към цветен слънчев прозорец се основава на фазова промяна на ултратънки перовскитни слоеве.
В прозрачно състояние, перовскитните кристали съществуват в кубична структура и са до голяма степен прозрачни, докато при температура от приблизително 105 градуса по Целзий те преминават в по-малко прозрачна, но фотоволтаично активна кристална структура. Това блокира около две трети от видимата светлина и постига ефективност от седем процента. Когато се охлади до стайна температура и се изложи на известна влага, тази фазова промяна може да бъде обърната и прозорецът отново става прозрачен.
Свързано с това:
Термохромни свойства за климатично оптимизирани сгради
Термохромните свойства на прозорците на базата на перовскит биха могли да допринесат значително за енергийната ефективност на сградите. Подобно на фотохромните слънчеви очила, тези прозорци могат да променят цвета си в отговор на температурните промени, като температурата – за разлика от интензитета на светлината в слънчевите очила – е определящият фактор. С повишаването на температурата прозрачният панел постепенно става жълт, оранжев, червен или кафяв. Колкото по-горещо става, толкова по-тъмно става стъклото, като по този начин помещението се охлажда автоматично и без нужда от климатик.
Този механизъм може значително да допринесе за намаляване на потреблението на енергия за отопление и охлаждане. Като се има предвид, че отоплението и топлата вода са причина за 25% от емисиите на CO2 в Австрия и че проучване на Университета в Бирмингам прогнозира, че броят на охладителните устройства в световен мащаб ще се учетвори до 14 милиарда до 2050 г., подобни интелигентни решения за прозорци биха могли да допринесат значително за опазването на климата.
Предизвикателства и решения
Въпреки обещаващите си свойства, перовскитните слънчеви клетки са изправени пред няколко предизвикателства, които досега ограничават широкото им търговско приложение. Основен проблем е тяхната стабилност при реални условия на околната среда. Перовскитните кристали са склонни да растат неподредени и дефектни, което може да доведе до проблеми със стабилността. Те все още не постигат дълготрайността на силициевите слънчеви клетки и са чувствителни към влажност, светлина и топлина. Съществен недостатък е по-ниската им устойчивост на атмосферни влияния, тъй като материалът може да се разгради при екстремни метеорологични условия.
Въпреки това, изследванията вече са постигнали значителен напредък в преодоляването на тези предизвикателства. Panasonic например успя да произведе химически по-стабилен вариант на материала и да го защити от атмосферните влияния чрез използването на двойно остъкляване. Белгийската изследователска институция Imec, партньор в изследователския консорциум EnergyVille, постигна пробив в изследванията на перовскитни слънчеви модули . В двугодишно проучване на открито в Кипър беше демонстрирана дългосрочната стабилност на мини-перовскитни модули, които постигнаха впечатляваща енергийна ефективност от 78 процента след една година на открито – стойност, която настоящите перовскитни слънчеви модули често могат да поддържат само за няколко седмици.
Напредък е постигнат и в областта на рециклирането. Изследователи от Швеция са разработили метод за пълно и екологично рециклиране на перовскитни слънчеви клетки. Вместо да използват токсичния диметилформамид за демонтиране на клетките, както се е правило преди, екипът използва вода като разтворител, за да разгради разложените перовскити. Всички компоненти могат да бъдат използвани повторно в нова перовскитна слънчева клетка, без това да повлияе на производителността – рециклираната слънчева клетка има същата ефективност като оригиналната.
Специфични предизвикателства остават за термохромните слънчеви прозорци. Сравнително високата температура на фазова промяна от малко над 100 градуса по Целзий ще трябва да бъде допълнително намалена за практически приложения. Освен това, влажността, необходима за обратимо превключване, може да наруши дългосрочната стабилност на перовскитните слоеве. Тъй като обаче съставът на перовскитните материали може да варира значително, по-нататъшни проучвания биха могли да идентифицират смеси от материали без тези недостатъци и по този начин допълнително да повишат ефективността.
Пазарен потенциал и бъдещи перспективи
Комбинацията от гъвкавост, предимства по отношение на разходите и изключителна ефективност прави перовскитните слънчеви клетки обещаваща технология за енергийния преход. Пазарни изследователи от IDTechEx прогнозират, че пазарът на перовскитни фотоволтаични системи ще достигне годишен обем на продажбите от близо 12 милиарда щатски долара до 2035 г. Тази технология би могла да замени силициевите модули като доминираща фотоволтаична технология в бъдеще.
Комбинацията от перовскит със силиций в тандемни клетки изглежда особено обещаваща, потенциално постигайки ефективност до 43 процента – значително подобрение спрямо модулите от чист силиций. Перовскитните материали могат да бъдат специално пригодени за ефективно използване на различни дължини на вълната на слънчевата светлина: Докато перовскитът абсорбира по-добре късовълновата (синя) светлина, силицийът се отличава в дълговълновия (червен) диапазон.
Прозрачните перовскитни слънчеви клетки откриват изцяло нови перспективи за фотоволтаици, интегрирани в сгради. За да заменят пасивните прозорци с прозорци за генериране на енергия възможно най-бързо, изследователите работят за оптимизиране на производителността на тези технологии и за ускоряване на пазарната готовност на прозрачните фотоволтаични клетки. Ако останалите предизвикателства по отношение на стабилността и издръжливостта бъдат преодолени, слънчевите прозорци на базата на перовскит биха могли да допринесат значително за децентрализираното производство на енергия в градските райони в близко бъдеще.
Градски енергиен преход: Прозорци за генериране на енергия с перовскитна технология
Перовскитните слънчеви клетки, особено техните прозрачни версии за прозоречни приложения, представляват обещаваща технология за бъдещето на фотоволтаиците. С комбинацията си от висока ефективност, прозрачност, ниски производствени разходи и гъвкавост, те предлагат значителни предимства пред конвенционалните силициеви слънчеви клетки. Способността за трансформиране на фасади на сгради и прозорци в генератори на енергия, без да се прави компромис с основната им функция, би могла да допринесе решаващо за енергийния преход в градските райони.
Последните постижения в подобряването на стабилността и дълготрайността на тези клетки в реални условия на околната среда са окуражаващи и проправят пътя за по-широко търговско приложение. Термохромните свойства на някои прозорци на базата на перовскит изглеждат особено иновативни, тъй като те не само могат да генерират електричество, но и да допринесат за енергийната ефективност на сградите чрез регулиране на тяхната прозрачност.
Въпреки че някои предизвикателства остават, бързото развитие на перовскитната технология през последните години предполага, че прозрачните, високоефективни слънчеви клетки скоро биха могли да играят значителна роля в архитектурата и енергоснабдяването. Тази иновативна технология би могла фундаментално да трансформира бъдещето на строителството, създавайки сгради, чиито прозорци и фасади са не само естетически приятни, но и активно допринасят за производството на енергия.
Свързано с това:
Вашият глобален партньор по маркетинг и бизнес развитие
☑️ Нашият бизнес език е английски или немски
☑️ НОВО: Кореспонденция на родния ви език!
Konrad Wolfenstein
Аз и моят екип с удоволствие ще бъдем на ваше разположение като ваш личен съветник.
Можете да се свържете с мен, като попълните формата за контакт тук wolfenstein@xpert.digital:или просто ми се обадите на +49 7348 4088 965. Моят имейл адрес е
Очаквам с нетърпение нашия съвместен проект.
