GiPV: Bygningsintegrerede solceller med semitransparente solcellemoduler

Bygningsintegreret solcelleanlæg (BIPV) refererer til solcellematerialer, der erstatter konventionelle byggematerialer i dele af en bygningsskærm, såsom tag, ovenlysvinduer eller facade. Det integreres i stigende grad i nye bygninger som en primær eller sekundær strømkilde, og eksisterende bygninger kan også eftermonteres med lignende teknologi. Fordelen ved integreret solcelleanlæg i forhold til konventionelle ikke-integrerede systemer er, at de indledende omkostninger kan udlignes ved at reducere udgifterne til byggematerialer og arbejdskraft, der normalt ville være påkrævet for at konstruere den del af bygningen, som BIPV-modulerne erstatter. Desuden muliggør BIPV bredere accept af solcelleinstallationer, når bygningens æstetik er en overvejelse, og konventionelle, rackmonterede solpaneler ville forringe det tilsigtede udseende.

Udtrykket BAPV (bygningsanvendt solcelleanlæg) bruges undertiden til at henvise til solcelleanlæg, der eftermonteres i en bygning. De fleste bygningsintegrerede systemer er faktisk BAPV. Nogle producenter og udviklere skelner mellem BIPV og BAPV i nybyggeri.

Bygningsintegrerede solcelleanlæg (BIPV) opstod i 1970'erne. Aluminiumsrammede solcellemoduler blev fastgjort til eller monteret på bygninger, typisk placeret i fjerntliggende områder uden adgang til elnettet. I 1980'erne begyndte man at installere solcelleanlæg på taget. Disse solcelleanlæg blev generelt installeret på bygninger, der var tilsluttet elnettet og placeret i områder med centraliserede kraftværker. I 1990'erne blev BIPV-produkter, der er specielt designet til integration i bygningens klimaskærm, kommercielt tilgængelige. En doktorafhandling fra 1998 af Patrina Eiffert med titlen "En økonomisk vurdering af BIPV" fremsatte hypotesen om, at der en dag ville være økonomisk værdi i at handle med vedvarende energikreditter (REC'er). En økonomisk vurdering og en kort historie om BIPV foretaget af US National Renewable Energy Laboratory i 2011 antyder, at der stadig er betydelige tekniske udfordringer, før installationsomkostningerne for BIPV kan konkurrere med omkostningerne ved solcelleanlæg. Der er dog en voksende enighed om, at BIPV-systemer, gennem udbredt kommercialisering, vil danne rygraden i det europæiske mål for nulenergibygninger (ZEB) inden 2020. Trods de lovende tekniske muligheder er der også blevet identificeret sociale barrierer for udbredt anvendelse, såsom den konservative kultur i byggebranchen og integration i tætbebygget byplanlægning. Forfatterne påpeger, at langsigtet anvendelse sandsynligvis vil afhænge lige så meget af effektive politiske beslutninger som af teknologisk udvikling.

De semi-transparente solcellemoduler tilbyder en interessant måde at integrere bygningsintegreret solcelleanlæg (BIPV) i arkitektur og byplanlægning. Denne nye type solenergiproduktion vil højst sandsynligt blive en vigtig del af den globale elproduktion i fremtiden.

Bygningsintegrerede solceller med semitransparente solmoduler er en attraktiv mulighed for at bygge energieffektive bygninger. Denne teknologi kan bidrage til at reducere energiomkostningerne og samtidig forbedre bygningens ydre.

Derudover kan semitransparente solpaneler bruges til at lede dagslyset ind i en bygnings indre. Dette sparer ikke kun energi, men reducerer også omkostningerne til kunstig belysning.

Kort sagt er bygningsintegreret solcelleanlæg (BIPV) en yderst effektiv og alsidig form for vedvarende energi. Den har potentiale til bæredygtigt at forbedre bygningers energiforsyning.

Solmoduler fremstillet af krystallinsk silicium til jordmonterede og tagmonterede kraftværker.

Amorfe krystallinske silicium-tyndfilms solcellemoduler, som kan være hule, lette, røde, blå og gule, brugt som glasfacade og transparent ovenlysvindue.

CIGS-baserede (kobberindium-galliumselenid) tyndfilmsceller på fleksible moduler, der er lamineret på bygningens klimaskærm, eller CIGS-cellerne er monteret direkte på underlaget af bygningens klimaskærm.

Dobbeltglaserede solmoduler med firkantede celler indeni.

flade tage

Den mest udbredte løsning til dato er en amorf tyndfilmssolcelle integreret i et fleksibelt polymermodul, som er fastgjort med en klæbende film mellem solmodulets bagside og tagmembranen. Ved hjælp af kobberindium-galliumselenid (CIGS)-teknologi har et amerikansk firma opnået en celleeffektivitet på 17 % for bygningsintegrerede moduler i enkeltlags TPO-membraner.

Skrå tage

Soltagsten er (keramiske) tagsten med integrerede solcellemoduler. De keramiske soltagsten blev udviklet og patenteret af et hollandsk firma i 2013.

Moduler formet som flere tagsten.

Soltagsplader er moduler, der ligner og fungerer som normale tagsplader, men indeholder en fleksibel tyndfilmscelle.

De forlænger tagenes normale levetid ved at beskytte isolering og membraner mod UV-stråling og vandskader. De forhindrer også kondens ved at holde dugpunktet over tagmembranen.

Metalliske skråtage (både strukturelle og arkitektoniske) udstyres nu med PV-funktioner, enten ved at lime et fritstående fleksibelt modul eller ved at varme- og vakuumforsegle CIGS-cellerne direkte på underlaget.

facade

Facader kan fastgøres til eksisterende bygninger, hvilket giver dem et helt nyt udseende. Disse moduler monteres på bygningens facade oven på den eksisterende struktur, hvilket kan øge bygningens attraktivitet og dens gensalgsværdi.

glasering

Fotovoltaiske vinduer er (semi-)transparente moduler, der kan erstatte en række arkitektoniske elementer, der normalt er lavet af glas eller lignende materialer, såsom vinduer og ovenlysvinduer. De genererer ikke kun elektrisk energi, men kan også opnå yderligere energibesparelser på grund af deres fremragende varmeisoleringsegenskaber og evne til at kontrollere solstråling.

Fotovoltaiske glasvinduer: Integrationen af ​​energigenererende teknologier i bolig- og erhvervsbygninger har åbnet op for yderligere forskningsområder, der lægger større vægt på det samlede æstetik af det endelige produkt. Mens målet fortsat er at opnå høj effektivitet, sigter nye udviklinger inden for fotovoltaiske vinduer også mod at tilbyde forbrugerne et optimalt niveau af glastransparens og/eller muligheden for at vælge mellem en række farver. Forskelligt farvede solpaneler kan designes til optimalt at absorbere specifikke bølgelængdeområder fra det bredere spektrum. Farvet fotovoltaisk glas er blevet udviklet med succes ved hjælp af semitransparente, perovskit- og farvestoffølsomme solceller.

• Plasmoniske solceller, der absorberer og reflekterer farvet lys, blev udviklet ved hjælp af Fabry-Pérot-Etalon-teknologi. Disse celler består af to parallelle, reflekterende metalfilm og en dielektrisk hulrumsfilm mellem dem. De to elektroder er lavet af sølv (Ag), og hulrummet mellem dem er lavet af Sb₂O₃. Ved at ændre tykkelsen og brydningsindekset for det dielektriske hulrum ændres den bølgelængde, der absorberes bedst. Ved at matche farven på absorptionslagets glas til den specifikke del af spektret, som cellens tykkelse og brydningsindeks er bedst egnet til, forbedres både cellens æstetik ved at intensivere dens farve og minimere tab af fotostrøm. Røde og blå lysenheder opnåede transmissioner på henholdsvis 34,7% og 24,6%. Blå enheder kan omdanne 13,3% af det absorberede lys til elektricitet, hvilket gør dem til de mest effektive af alle de farvede enheder, der er udviklet og testet.
• Perovskit-solcelleteknologi kan justeres til røde, grønne og blå bølgelængder ved at ændre tykkelsen af ​​de metalliske nanotråde til henholdsvis 8, 20 og 45 nm. Maksimale effekteffektiviteter på 10,12%, 8,17% og 7,72% blev opnået ved at justere glasreflektansen til den bølgelængde, som den respektive celle er bedst egnet til.
• Farvefølsomme solceller bruger flydende elektrolytter til at indfange lys og omdanne det til brugbar energi, ligesom naturlige pigmenter muliggør fotosyntese i planter. Mens klorofyl er det specifikke pigment, der er ansvarligt for den grønne farve i blade, producerer andre naturligt forekommende pigmenter såsom carotenoider og anthocyaniner variationer af orange og lilla. Forskere ved University of Concepción har demonstreret levedygtigheden af ​​farvefølsomme solceller, der både fremstår levende og selektivt absorberer specifikke bølgelængder af lys. Denne billige løsning bruger naturlige pigmenter udvundet af maqui-frugt, sort myrte og spinat som sensibilisatorer. Disse naturlige sensibilisatorer klemmes derefter inde mellem to lag transparent glas. Selvom effektiviteten af ​​disse særligt billige celler stadig er uklar, har tidligere forskning i organiske farvefølsomme solceller opnået en høj effektkonverteringseffektivitet på 9,8%.

Transparente solceller bruger en tinoxidbelægning på indersiden af ​​glasruderne til at lede elektricitet fra cellen. Cellen indeholder titanoxid belagt med et fotoelektrisk farvestof.

De fleste konventionelle solceller bruger synligt og infrarødt lys til at generere elektricitet. I modsætning hertil bruger denne innovative nye solcelle også ultraviolet stråling. Hvis den bruges som erstatning for konventionelt vinduesglas eller placeres oven på eksisterende glas, kan installationsområdet være stort, hvilket kan føre til potentielle anvendelser, der kombinerer strømproduktion, belysning og temperaturstyring.

Et andet udtryk for transparente solceller er "gennemskinnelige solceller" (de tillader kun halvdelen af ​​det indfaldende lys at passere igennem). Ligesom uorganiske solceller kan organiske solceller også være gennemskinnelige.

Ikke-bølgelængdeselektiv

Nogle ikke-bølgelængdeselektive solcellesystemer opnår semi-transparens gennem rumlig segmentering af uigennemsigtige solceller. Denne metode bruger enhver type uigennemsigtig solcelle og fordeler flere små celler på et transparent substrat. Denne segmentering reducerer energiomdannelseseffektiviteten drastisk og øger transmissionen.

En anden gren af ​​ikke-bølgelængdeselektive solceller anvender synligt absorberende tyndfilmshalvledere med små tykkelser eller store nok båndgab, der tillader lys at passere igennem. Dette resulterer i semitransparente solceller med en lignende direkte afvejning mellem effektivitet og transmission som rumligt segmenterede, uigennemsigtige solceller.

En anden gren af ​​ikke-bølgelængdeselektiv solceller anvender synligt absorberende tyndfilmshalvledere med lav tykkelse eller tilstrækkeligt store båndgab, der tillader lys at passere igennem. Dette resulterer i semi-transparente solceller med en lignende direkte afvejning mellem effektivitet og transmission som rumligt segmenterede, uigennemsigtige solceller.

Bølgelængdeselektiv solceller

Bølgelængdeselektiv solcelleteknologi (WSPV) opnår transparens ved at bruge materialer, der kun absorberer UV- og/eller NIR-lys, og blev først introduceret i 2011. Trods den højere transmittans er energiomdannelseseffektiviteten lavere på grund af en række problemer. Disse omfatter korte excitondiffusionslængder, skalering af transparente elektroder uden at gå på kompromis med effektiviteten og den samlede levetid på grund af den iboende ustabilitet af de organiske materialer, der anvendes i WSPV'er.

Innovationer inden for transparent og gennemskinnelig solcelleenergi

Tidlige forsøg på at udvikle ikke-bølgelængdeselektive semi-transparente organiske solceller med meget tynde aktive lag, der absorberer i det synlige spektrum, opnåede effektiviteter på mindre end 1%. Imidlertid demonstrerede transparente organiske solceller i 2011, der brugte en organisk chloroaluminiumphthalocyanin-donor (ClAlPc) og en fullerenacceptor, absorption i det ultraviolette og nær-infrarøde (NIR) spektrum med effektiviteter på omkring 1,3% og en transmission af synligt lys på over 65%. I 2017 udviklede MIT-forskere en metode til succesfuldt at aflejre transparente grafenelektroder på organiske solceller, hvilket resulterede i 61% transmission af synligt lys og forbedrede effektiviteter på 2,8-4,1%.

Perovskit-solceller, der er meget populære som næste generations solceller med effektivitetsgrader på over 25%, har også vist sig lovende til transparente solceller. I 2015 viste en semi-transparent perovskit-solcelle med en methylammonium-blytriiodid-perovskit og en sølv-nanotråds-gitter-topelektrode en transmission på 79% ved en bølgelængde på 800 nm og en effektivitet på cirka 12,7%.