Avaldatud: 8. märts 2025 / Uuendatud: 8. märts 2025 – Autor: Konrad Wolfenstein
Perovskiidist päikesepatareid: läbipaistva fotogalvaanika potentsiaal tänapäevastes hoonetes ja PV-projektides – pilt: Xpert.Digital
Läbipaistev energiaüleminek: elektrienergia tootmine uuendusliku aknatehnoloogia abil
Perovskiidist päikesepatareid: nutikate akende tulevased tootjad
Läbipaistvate ja suure tõhususega päikesepatareide väljatöötamine avab uusi perspektiive fotogalvaanika integreerimiseks hoonetesse. Eelkõige on perovskiidist päikesepatareid viimastel aastatel paljulubavaks kandidaadiks selle rakenduse jaoks kerkinud. Kuni 31,6-protsendilise efektiivsuse, läbipaistvate disainide võimaluse ja kulutõhusa tootmisega võivad need päikeseenergia kasutamist revolutsiooniliselt muuta. Praegused uuringud näitavad, et nende patareide varem problemaatiline stabiilsus on oluliselt paranenud. Eriti paljulubavad on rakendused nutikate akende kujul, mis mitte ainult ei tooda elektrit, vaid saavad ka oma läbipaistvust ümbritsevatele tingimustele kohandada.
Sobib selleks:
Perovskiidi päikeseenergia tehnoloogia põhitõed
Perovskiidist päikesepatareid esindavad fotogalvaanikas suhteliselt uut arengut, mille intensiivne uurimine algas alles 2009. aastal. Nad on oma nime saanud mineraalilt perovskiidilt, mille iseloomulik kristallstruktuur neil on. Need päikesepatareid põhinevad niinimetatud halogeniidperovskiitidel, hübriidmaterjalil, mis koosneb positiivselt laetud orgaanilistest komponentidest, nagu metüülammooniumkatioonid ja anorgaaniliste metallide soolad, nagu pliijodiid. Nende ainulaadne materjali koostis ja struktuur erinevad põhimõtteliselt traditsioonilistest ränist päikesepatareidest, muutes need paljulubavaks kandidaadiks päikeseenergia tulevikuks.
Perovskiidist päikesepatareide funktsionaalsus tugineb nende suurepärasele võimele muuta päikesevalgust elektrienergiaks. Jülichi uurimiskeskuse teadlased on uudsete fotoluminestsentsi mõõtmiste abil avastanud, et perovskiidist päikesepatareides olevad vabad laengukandjad on tõenäoliselt erakordselt hästi kaitstud lagunemise eest, mis võib olla nende kõrge efektiivsuse peamine põhjus. Ergastatud laengukandjate eluiga materjalis on nende päikesepatareide efektiivsuse seisukohalt oluline tegur, kuna see määrab, kui kaua valguse poolt vabanevad elektronid on saadaval ja saavad kaasa aidata energia tootmisele.
Viimastel aastatel on nende päikesepatareide tehnoloogiline areng teinud muljetavaldavaid edusamme. Kui esimestel perovskiidist päikesepatareidel oli tagasihoidlik efektiivsus, vaid 4 protsenti, siis uusimad mudelid saavutavad regulaarselt üle 20 protsendi efektiivsuse. Fraunhoferi Instituut saavutas isegi rekordilise väärtuse 31,6 protsenti, samas kui Saksa ettevõte Qcells saavutas efektiivsuse 28,6 protsenti.
Läbipaistvate perovskiidi päikesepatareide eelised
Perovskiidist päikesepatareide silmapaistvaim omadus võrreldes tavapäraste räni moodulitega on nende läbipaistvuse potentsiaal koos kõrge efektiivsusega. See omadus avab täiesti uusi rakendusvõimalusi, eriti hoonetesse integreeritud fotogalvaanika valdkonnas. Läbipaistvaid või poolläbipaistvaid päikesepatareisid saab integreerida aknapindadele, võimaldades hoonetel mitte ainult valgust läbi lasta, vaid ka samaaegselt elektrit toota.
Läbipaistvusastet saab tootmisprotsessi käigus vastavalt vajadusele reguleerida, kuigi tuleb märkida, et energia muundamise efektiivsus väheneb läbipaistvuse suurenedes. Läbipaistvate versioonide kõrgeim mõõdetud muundamise efektiivsus on praegu märkimisväärne 17,9 protsenti. IMPRESSIVE'i uurimisprojekt näitas, et tehnoloogiate kombinatsioon suudab päikeseenergiat muundada 14-protsendilise efektiivsusega keskmise valgusläbivuse juures, mis on üle 55 protsendi. Poolläbipaistvad UV-perovskiidi elemendid saavutavad isegi üle 10 protsendilise efektiivsuse umbes 60-protsendilise valgusläbivuse juures.
Lisaks läbipaistvusele pakuvad perovskiidist päikesepatareid ka teisi märkimisväärseid eeliseid. Need on suhteliselt odavad ja hõlpsasti valmistatavad, sarnaselt õhukese kilega päikesemoodulitele. Tootmine on räni omaga võrreldes oluliselt vähem energiamahukas, kuna perovskiite saab toota lihtsate ja skaleeritavate protsesside abil, näiteks rull-rull-trüki abil. Lisaks on vajalikud toorained üldiselt kergesti kättesaadavad, mis hoiab materjalikulud madalad.
Teine oluline eelis on perovskiidist päikesepatareide kergus ja paindlikkus. Neid saab kanda üliõhukeste kihtidena erinevatele aluspindadele, mis laiendab oluliselt nende rakendusvõimalusi. See omadus võimaldab uuenduslikke rakendusi kaasaskantavates seadmetes, sõidukites või hoonesse integreeritud fotogalvaanilistes lahendustes, näiteks päikeseakendes või fassaadimoodulites.
Innovatiivsed rakendused hoonete integreerimisel
Perovskiidist päikesepatareide läbipaistvaks muutmise võime muudab need eriti atraktiivseks hoonesse integreeritud fotogalvaanika (BIPV) jaoks, kus päikesepatareid asendavad traditsioonilisi ehitusmaterjale, näiteks aknaid. Perovskiidi paigutamine klaaspaneelide vahele võimaldab päikesepatareidel toimida hoone tegeliku fassaadi ja seinana, tootes samal ajal elektrit kohapeal kasutamiseks või võrku edastamiseks.
Panasonic Holdings esitles selle uuendusliku rakenduse konkreetset näidet, demonstreerides perovskiidist päikesepatareidega poolläbipaistvaid klaasist balustraade Tokyost lõunas asuva näidismaja rõdul. Need prototüübid demonstreerivad perovskiidi tehnoloogia integreerimise potentsiaali igapäevastesse ehituselementidesse. Leipzigi füüsikud on välja töötanud ka läbipaistva päikesepatarei, mida saab aurustamise teel otse aknaklaasile sadestada, muutes potentsiaalselt terved fassaadid elektrijaamadeks.
Eriti paljulubavad on arengud termokromaatiliste ehk „nutikate“ akende valdkonnas. California Ülikooli Berkeley teadlased on välja töötanud fotogalvaanilise akna funktsionaalse laienduse, mis muudab oma värvi ja läbipaistvust temperatuurimuutustega ning suudab pimedaks muutudes elektrit toota. Pöörduv üleminek värvilisele päikeseaknale põhineb üliõhukeste perovskiidi kihtide faasimuutusel.
Läbipaistvas olekus eksisteerivad perovskiidi kristallid kuubilises struktuuris ja on suures osas läbipaistvad, samas kui umbes 105 kraadi Celsiuse juures muutuvad nad vähem läbipaistvaks, kuid fotogalvaaniliselt aktiivseks kristallstruktuuriks. See blokeerib umbes kaks kolmandikku nähtavast valgusest ja saavutab seitsmeprotsendilise efektiivsuse. Toatemperatuurini jahutamisel ja niiskusega kokkupuutel saab selle faasimuutuse tagasi pöörata ja aken muutub taas läbipaistvaks.
Sobib selleks:
Termokroomsed omadused kliimale optimeeritud hoonetes
Perovskiidipõhiste akende termokroomsed omadused võivad oluliselt kaasa aidata hoonete energiatõhususele. Sarnaselt fotokroomsete päikeseprillidega võivad need aknad temperatuurimuutustele vastavalt värvi muuta, kusjuures määravaks teguriks on temperatuur – erinevalt päikeseprillide valguse intensiivsusest. Temperatuuri tõustes muutub läbipaistev klaas järk-järgult kollaseks, oranžiks, punaseks või pruuniks. Mida kuumemaks läheb, seda tumedamaks klaas muutub, jahutades ruumi automaatselt ja ilma konditsioneeri vajaduseta.
See mehhanism aitab oluliselt kaasa kütte ja jahutuse energiatarbimise vähendamisele. Arvestades, et küte ja soe vesi moodustavad Austrias 25 protsenti CO2-heitest ning et Birminghami ülikooli uuring ennustab, et jahutusseadmete arv maailmas neljakordistub 2050. aastaks 14 miljardini, võivad sellised nutikad aknalahendused oluliselt panustada kliimakaitsesse.
Väljakutsed ja lahendused
Vaatamata paljulubavatele omadustele seisavad perovskiidist päikesepatareid silmitsi mitmete väljakutsetega, mis on seni piiranud nende laialdast kaubanduslikku rakendamist. Peamine probleem on nende stabiilsus reaalsetes keskkonnatingimustes. Perovskiidi kristallid kipuvad kasvama korrastamata ja defektseteks, mis võib põhjustada stabiilsusprobleeme. Need ei ole veel saavutanud ränist päikesepatareide pikaealisust ning on tundlikud niiskuse, valguse ja kuumuse suhtes. Märkimisväärseks puuduseks on nende madalam ilmastikukindlus, kuna materjal võib äärmuslikes ilmastikutingimustes laguneda.
Siiski on uuringud nende väljakutsete ületamisel juba märkimisväärseid edusamme teinud. Näiteks on Panasonicul õnnestunud toota materjali keemiliselt stabiilsem variant ja kaitsta seda ilmastiku eest topeltklaaside abil. Belgia teadusasutus Imec, mis on EnergyVille'i uurimiskonsortsiumi partner, on koostöös Küprose ülikooliga saavutanud läbimurde perovskiidist päikesemoodulite uurimisel . Kaheaastases väliuuringus Küprosel demonstreeriti mini-perovskiidist moodulite pikaajalist stabiilsust, mis saavutas muljetavaldava 78-protsendilise energiatõhususe pärast ühte aastat õues – väärtus, mida praegused perovskiidist päikesemoodulid suudavad sageli säilitada vaid paar nädalat.
Edusamme on tehtud ka ringlussevõtu valdkonnas. Rootsi teadlased on välja töötanud meetodi perovskiidist päikesepatareide täielikuks ja keskkonnasõbralikuks ringlussevõtuks. Mürgise dimetüülformamiidi kasutamise asemel patareide lammutamiseks, nagu varem tehti, kasutab meeskond lagunenud perovskiitide lagundamiseks lahustina vett. Kõiki komponente saab seejärel uues perovskiidist päikesepatareis taaskasutada, ilma et see mõjutaks jõudlust – ringlussevõetud päikesepatareil on sama efektiivsus kui originaalil.
Termokroomsete päikeseakende puhul on endiselt spetsiifilised väljakutsed. Praktiliste rakenduste jaoks tuleks suhteliselt kõrget faasimuutustemperatuuri, mis on veidi üle 100 kraadi Celsiuse järgi, veelgi vähendada. Lisaks võib pöörduva lülitamise jaoks vajalik niiskus kahjustada perovskiidi kihtide pikaajalist stabiilsust. Kuna perovskiidi materjalide koostis võib aga märkimisväärselt varieeruda, võiksid edasised uuringud tuvastada materjalide segusid, millel neid puudusi pole, ja seega veelgi suurendada efektiivsust.
Turupotentsiaal ja tulevikuväljavaated
Paindlikkuse, kulueeliste ja silmapaistva efektiivsuse kombinatsioon muudab perovskiidist päikesepatareid paljulubavaks tehnoloogiaks energiasiirde jaoks. IDTechExi turu-uurijad ennustavad, et perovskiidist fotogalvaanika turg jõuab 2035. aastaks ligi 12 miljardi USA dollari suuruse aastase müügimahuni. See tehnoloogia võib tulevikus asendada ränipõhised moodulid domineeriva fotogalvaanika tehnoloogiana.
Perovskiidi ja räni kombinatsioon tandemelementides tundub eriti paljutõotav, saavutades potentsiaalselt kuni 43-protsendilise efektiivsuse – see on märkimisväärne edasiminek võrreldes puhtast ränist moodulitega. Perovskiidi materjale saab spetsiaalselt kohandada nii, et need kasutaksid tõhusalt ära päikesevalguse erinevaid lainepikkusi: kui perovskiit neelab lühilainelist (sinist) valgust paremini, siis räni paistab silma pikalainelise (punase) valguse vahemikus.
Läbipaistvad perovskiidist päikesepatareid avavad hoonetesse integreeritud fotogalvaanika jaoks täiesti uusi perspektiive. Passiivsete akende võimalikult kiireks asendamiseks energiat tootvate akendega töötavad teadlased nende tehnoloogiate jõudluse optimeerimise ja läbipaistvate päikesepatareide turuvalmiduse kiirendamise nimel. Kui ülejäänud stabiilsuse ja vastupidavusega seotud probleemid suudetakse ületada, võivad perovskiidipõhised päikeseaknad lähitulevikus anda olulise panuse detsentraliseeritud energiatootmisse linnapiirkondades.
Linnade energiaüleminek: perovskiidi tehnoloogiaga energiat tootvad aknad
Perovskiidist päikesepatareid, eriti nende läbipaistvad versioonid aknarakenduste jaoks , kujutavad endast paljulubavat tehnoloogiat fotogalvaanika tulevikuks. Tänu oma kõrgele efektiivsusele, läbipaistvusele, madalatele tootmiskuludele ja paindlikkusele pakuvad need märkimisväärseid eeliseid tavapäraste ränist päikesepatareide ees. Võimalus muuta hoonete fassaadid ja aknad elektrigeneraatoriteks ilma nende põhifunktsiooni kahjustamata võiks anda olulise panuse linnapiirkondade energiasiirdesse.
Hiljutised edusammud nende elementide stabiilsuse ja pikaealisuse parandamisel reaalsetes keskkonnatingimustes on julgustavad ja sillutavad teed laiemale kaubanduslikule rakendamisele. Mõnede perovskiidipõhiste akende termokromaatsed omadused tunduvad eriti uuenduslikud, kuna need mitte ainult ei suuda toota elektrit, vaid aitavad kaasa ka hoonete energiatõhususele, reguleerides nende läbipaistvust.
Kuigi mõned väljakutsed on endiselt lahendamata, viitab perovskiidi tehnoloogia kiire areng viimastel aastatel sellele, et läbipaistvad ja suure tõhususega päikesepatareid võivad peagi arhitektuuris ja energiavarustuses olulist rolli mängida. See uuenduslik tehnoloogia võib ehituse tulevikku põhjalikult muuta, luues hooneid, mille aknad ja fassaadid pole mitte ainult esteetiliselt meeldivad, vaid aitavad aktiivselt kaasa ka energia tootmisele.
Sobib selleks:
- City Solar Canopy – poolläbipaistvate päikesemoodulitega päikeseenergial töötav City Pergola, ideaalne kontseptsioon tuleviku rohelise nutika linna jaoks
- Nutikas linn: skaleeritav nutikas PV-autovarjualuse moodulsüsteem eraisikutele, omavalitsustele ja tööstusele – kompaktne päikesepaneelidega autovarjualune
Teie ülemaailmne turundus- ja äriarenduspartner
☑️ Meie ärikeel on inglise või sakslane
☑️ Uus: kirjavahetus teie riigikeeles!
Konrad Wolfenstein
Mul on hea meel, et olete teile ja minu meeskonnale isikliku konsultandina kättesaadav.
Võite minuga ühendust võtta, täites siin kontaktvormi või helistage mulle lihtsalt telefonil +49 89 674 804 (München) . Minu e -posti aadress on: Wolfenstein ∂ xpert.digital
Ootan meie ühist projekti.
