Publikováno: 8. března 2025 / Aktualizováno: 8. března 2025 – Autor: Konrad Wolfenstein
Perovskitové solární články: Potenciál transparentní fotovoltaiky pro moderní budovy a fotovoltaické projekty – Obrázek: Xpert.Digital
Transparentní energetická transformace: Výroba elektřiny díky inovativní technologii oken
Perovskitové solární články: Budoucí tvůrci chytrých oken
Vývoj transparentních, vysoce účinných solárních článků otevírá nové perspektivy pro integraci fotovoltaiky do budov. Zejména perovskitové solární články se v posledních letech ukázaly jako slibný kandidát pro tuto aplikaci. S účinností až 31,6 procenta, možností transparentních konstrukcí a nákladově efektivní výrobou by mohly způsobit revoluci ve využívání solární energie. Současný výzkum ukazuje, že dříve problematická stabilita těchto článků se výrazně zlepšila. Obzvláště slibné jsou aplikace jako chytrá okna, která nejen vyrábějí elektřinu, ale také dokáží přizpůsobit svou průhlednost okolním podmínkám.
Vhodné pro:
Základy perovskitové solární technologie
Perovskitové solární články představují relativně nový vývoj ve fotovoltaice, jejichž intenzivní výzkum začal teprve v roce 2009. Svůj název vděčí minerálu perovskitu, jehož charakteristickou krystalovou strukturu vykazují. Tyto solární články jsou založeny na tzv. halogenidových perovskitech, hybridním materiálu složeném z kladně nabitých organických složek, jako jsou methylamoniové kationty, a anorganických kovových solí, jako je jodid olovnatý. Jejich jedinečné materiálové složení a struktura se zásadně liší od tradičních křemíkových solárních článků, což z nich činí slibného kandidáta pro budoucnost solární energie.
Funkčnost perovskitových solárních článků závisí na jejich vynikající schopnosti přeměňovat sluneční světlo na elektrickou energii. Vědci z výzkumného centra v Jülichu zjistili pomocí nových měření fotoluminiscence, že volné nosiče náboje v perovskitových solárních článcích jsou pravděpodobně výjimečně dobře chráněny před rozpadem, což by mohlo být klíčovým důvodem jejich vysoké účinnosti. Životnost excitovaných nosičů náboje v materiálu je klíčovým faktorem pro účinnost těchto solárních článků, protože určuje, jak dlouho zůstanou elektrony uvolněné světlem k dispozici a mohou přispívat k výrobě energie.
V posledních letech zaznamenal technologický vývoj těchto solárních článků impozantní pokrok. Zatímco první perovskitové solární články měly skromnou účinnost pouhých 4 procent, nejnovější modely pravidelně dosahují účinnosti více než 20 procent. Fraunhoferův institut dokonce dosáhl rekordní hodnoty 31,6 procenta, zatímco německá společnost Qcells dosáhla účinnosti 28,6 procenta.
Výhody průhledných perovskitových solárních článků
Nejvýraznější vlastností perovskitových solárních článků ve srovnání s konvenčními křemíkovými moduly je jejich potenciál pro transparentnost v kombinaci s vysokou účinností. Tato vlastnost otevírá zcela nové možnosti použití, zejména v oblasti fotovoltaiky integrované do budov. Průhledné nebo poloprůhledné solární články lze integrovat do okenních ploch, což umožňuje budovám nejen propouštět světlo, ale také současně vyrábět elektřinu.
Stupeň průhlednosti lze během výrobního procesu upravovat v závislosti na požadavcích, je však třeba poznamenat, že účinnost přeměny energie se zvyšující se průhledností klesá. Nejvyšší naměřená účinnost přeměny u průhledných verzí je v současnosti pozoruhodných 17,9 procenta. Výzkumný projekt IMPRESSIVE prokázal, že kombinace technologií dokáže přeměňovat sluneční energii s účinností 14 procent při průměrné propustnosti světla více než 55 procent. Poloprůhledné UV perovskitové články dosahují dokonce účinnosti více než 10 procent při propustnosti světla přibližně 60 procent.
Kromě své průhlednosti nabízejí perovskitové solární články další významné výhody. Jsou relativně levné a snadno se vyrábějí, podobně jako tenkovrstvé solární moduly. Výroba je ve srovnání s křemíkem výrazně méně energeticky náročná, protože perovskity lze vyrábět pomocí jednoduchých a škálovatelných procesů, jako je tisk z role na rolku. Navíc jsou potřebné suroviny obecně snadno dostupné, což udržuje náklady na materiál nízké.
Další zásadní výhodou je lehkost a flexibilita perovskitových solárních článků. Mohou být aplikovány jako ultratenké vrstvy na různé substráty, což výrazně rozšiřuje jejich možnosti použití. Tato vlastnost umožňuje inovativní aplikace v přenosných zařízeních, vozidlech nebo fotovoltaických řešeních integrovaných do budov, jako jsou solární okna nebo fasádní moduly.
Inovativní aplikace v integraci budov
Schopnost učinit perovskitové solární články průhlednými je činí obzvláště atraktivními pro fotovoltaiku integrovanou do budov (BIPV), kde solární články nahrazují tradiční stavební materiály, jako jsou okna. Vložení perovskitu mezi skleněné tabule umožňuje solárním článkům sloužit jako skutečná fasáda a stěna budovy a zároveň vyrábět elektřinu pro použití na místě nebo pro napájení sítě.
Společnost Panasonic Holdings představila konkrétní příklad této inovativní aplikace a na balkoně modelového domu jižně od Tokia představila poloprůhledné skleněné zábradlí s perovskitovými solárními články. Tyto prototypy demonstrují potenciál integrace perovskitové technologie do běžných stavebních prvků. Fyzici v Lipsku také vyvinuli průhledný solární článek, který lze napařováním nanést přímo na okenní tabuli, což by potenciálně mohlo proměnit celé fasády v elektrárny.
Obzvláště slibný je vývoj v oblasti termochromatických neboli „chytrých“ oken. Vědci z Kalifornské univerzity v Berkeley vyvinuli funkční rozšíření fotovoltaického okna, které mění svou barvu a průhlednost se změnami teploty a dokáže generovat elektřinu při zatemnění. Reverzibilní přepnutí na barevné solární okno je založeno na fázové změně ultratenkých perovskitových vrstev.
Ve svém průhledném stavu existují krystaly perovskitu v kubické struktuře a jsou do značné míry průhledné, zatímco při teplotě přibližně 105 stupňů Celsia přecházejí do méně průhledné, ale fotovoltaicky aktivní krystalové struktury. Ta blokuje asi dvě třetiny viditelného světla a dosahuje účinnosti sedm procent. Po ochlazení na pokojovou teplotu a vystavení určité vlhkosti lze tuto fázovou změnu obrátit a okno se opět stane průhledným.
Vhodné pro:
Termochromní vlastnosti pro klimaticky optimalizované budovy
Termochromní vlastnosti oken na bázi perovskitu by mohly významně přispět k energetické účinnosti budov. Podobně jako fotochromní sluneční brýle mohou tato okna měnit barvu v reakci na změny teploty, přičemž teplota – na rozdíl od intenzity světla u slunečních brýlí – je určujícím faktorem. S rostoucí teplotou se průhledná tabule postupně zbarvuje do žluta, oranžova, červená nebo hněda. Čím je teplejší, tím tmavší je sklo, a tím se místnost automaticky ochlazuje bez nutnosti klimatizace.
Tento mechanismus může významně přispět ke snížení spotřeby energie na vytápění a chlazení. Vzhledem k tomu, že vytápění a ohřev vody tvoří v Rakousku 25 procent emisí CO2 a že studie Univerzity v Birminghamu předpovídá, že počet chladicích zařízení na celém světě se do roku 2050 čtyřnásobně zvýší na 14 miliard, mohla by taková chytrá okenní řešení významně přispět k ochraně klimatu.
Výzvy a řešení
Navzdory svým slibným vlastnostem čelí perovskitové solární články několika výzvám, které dosud omezují jejich široké komerční využití. Hlavním problémem je jejich stabilita v reálných podmínkách prostředí. Perovskitové krystaly mají tendenci růst neuspořádaně a defektně, což může vést k problémům se stabilitou. Zatím nedosahují životnosti křemíkových solárních článků a jsou citlivé na vlhkost, světlo a teplo. Významnou nevýhodou je jejich nižší odolnost vůči povětrnostním vlivům, protože materiál se může za extrémních povětrnostních podmínek degradovat.
Výzkum však již dosáhl významného pokroku v překonávání těchto výzev. Například společnosti Panasonic se podařilo vyrobit chemicky stabilnější variantu materiálu a ochránit ji před povětrnostními vlivy pomocí dvojitého zasklení. Belgická výzkumná instituce Imec, partner výzkumného konsorcia EnergyVille, dosáhla průlomu ve výzkumu perovskitových solárních modulů . V dvouleté venkovní studii na Kypru byla prokázána dlouhodobá stabilita mini-perovskitových modulů, které po jednom roce venkovního provozu dosáhly působivé energetické účinnosti 78 procent – což je hodnota, kterou si současné perovskitové solární moduly často udrží jen několik týdnů.
Pokroku bylo dosaženo i v oblasti recyklace. Výzkumníci ze Švédska vyvinuli metodu pro kompletní a ekologickou recyklaci perovskitových solárních článků. Místo použití toxického dimethylformamidu k demontáži článků, jak se dělalo dříve, tým používá jako rozpouštědlo vodu k rozkladu rozložených perovskitů. Všechny komponenty pak lze znovu použít v novém perovskitovém solárním článku, aniž by to ovlivnilo jeho výkon – recyklovaný solární článek má stejnou účinnost jako původní.
U termochromních solárních oken přetrvávají specifické výzvy. Relativně vysoká teplota fázové změny, něco málo přes 100 stupňů Celsia, by musela být pro praktické aplikace dále snížena. Vlhkost potřebná pro reverzibilní přepínání by navíc mohla zhoršit dlouhodobou stabilitu perovskitových vrstev. Vzhledem k tomu, že se však složení perovskitových materiálů může značně měnit, mohly by další studie identifikovat směsi materiálů bez těchto nevýhod, a tím dále zvýšit účinnost.
Tržní potenciál a budoucí vyhlídky
Kombinace flexibility, cenových výhod a vynikající účinnosti činí z perovskitových solárních článků slibnou technologii pro energetickou transformaci. Výzkumníci trhu ve společnosti IDTechEx předpovídají, že trh s perovskitovými fotovoltaickými články dosáhne do roku 2035 ročního objemu prodeje téměř 12 miliard USD. Tato technologie by v budoucnu mohla nahradit křemíkové moduly jako dominantní fotovoltaickou technologii.
Kombinace perovskitu s křemíkem v tandemových článcích se jeví jako obzvláště slibná, s potenciálem dosáhnout účinnosti až 43 procent – což je významné zlepšení oproti modulům z čistého křemíku. Perovskitové materiály lze specificky upravit tak, aby efektivně využívaly různé vlnové délky slunečního záření: Zatímco perovskit lépe absorbuje světlo s krátkou vlnovou délkou (modré), křemík vyniká v oblasti s dlouhou vlnovou délkou (červené).
Průhledné perovskitové solární články otevírají zcela nové perspektivy pro fotovoltaiku integrovanou do budov. Aby se co nejrychleji nahradila pasivní okna okny generujícími energii, vědci pracují na optimalizaci výkonu těchto technologií a urychlení uvedení transparentních fotovoltaických článků na trh. Pokud se podaří překonat zbývající výzvy týkající se stability a trvanlivosti, solární okna na bázi perovskitu by mohla v blízké budoucnosti významně přispět k decentralizované výrobě energie v městských oblastech.
Energetická transformace měst: Okna generující energii s perovskitovou technologií
Perovskitové solární články, zejména jejich průhledné verze pro okenní aplikace , představují slibnou technologii pro budoucnost fotovoltaiky. Díky kombinaci vysoké účinnosti, transparentnosti, nízkých výrobních nákladů a flexibility nabízejí oproti konvenčním křemíkovým solárním článkům významné výhody. Schopnost proměnit fasády budov a okna v generátory energie bez kompromisů v jejich primární funkci by mohla zásadně přispět k energetické transformaci v městských oblastech.
Nedávný pokrok ve zlepšování stability a životnosti těchto článků v reálných podmínkách prostředí je povzbudivý a připravuje cestu pro širší komerční využití. Termochromní vlastnosti některých oken na bázi perovskitu se zdají být obzvláště inovativní, protože mohou nejen vyrábět elektřinu, ale také přispívat k energetické účinnosti budov úpravou jejich průhlednosti.
Přestože některé výzvy přetrvávají, rychlý rozvoj perovskitové technologie v posledních letech naznačuje, že transparentní, vysoce účinné solární články by brzy mohly hrát významnou roli v architektuře a dodávkách energie. Tato inovativní technologie by mohla zásadně změnit budoucnost stavebnictví a vytvořit budovy, jejichž okna a fasády budou nejen esteticky příjemné, ale také aktivně přispívají k výrobě energie.
Vhodné pro:
Váš globální partner pro marketing a rozvoj podnikání
☑️ Naším obchodním jazykem je angličtina nebo němčina
☑️ NOVINKA: Korespondence ve vašem národním jazyce!
Konrad Wolfenstein
Rád vám a mému týmu posloužím jako osobní poradce.
Kontaktovat mě můžete vyplněním kontaktního formuláře nebo mi jednoduše zavolejte na číslo +49 89 89 674 804 (Mnichov) . Moje e-mailová adresa je: wolfenstein ∂ xpert.digital
Těším se na náš společný projekt.
