תאי שמש פרובסקיט: הפוטנציאל של מערכות פוטו-וולטאיות שקופות עבור מבנים מודרניים ופרויקטים פוטו-וולטאיים – תמונה: Xpert.Digital
מעבר אנרגיה שקוף: ייצור חשמל באמצעות טכנולוגיית חלונות חדשנית
תאים סולאריים של Perowskit: יצרני העתיד עבור חלונות חכמים
התפתחות של תאים סולאריים שקופים עם יעילות גבוהה פותחת נקודות מבט חדשות לשילוב פוטו -וולטאים בבניינים. תאים סולאריים של פרובסקיט בפרט התגלו כמועמד מבטיח ליישום זה בשנים האחרונות. עם היעילות של עד 31.6 אחוזים, האפשרות של גרסאות שקופות וייצור זול עשויה לחולל מהפכה בשימוש באנרגיה סולארית. תוצאות המחקר הנוכחיות מראות כי ניתן לשפר משמעותית את היציבות הבעייתית של תאים אלה. יישומים כחלונות חלונות אינטליגנטים שלא רק מייצרים חשמל, אלא גם יכולים להתאים גם את השקיפות שלהם לתנאי הסביבה הם קדימה.
מתאים לכך:
יסודות טכנולוגיית סולארית של פרובסקיט
תאים סולאריים של Perovskit מייצגים התפתחות חדשה יחסית בפוטו -וולטאים, שנחקרו רק באינטנסיביות מאז 2009. הם חייבים את שמם למינרל פרובסקיט, שמבנה הקריסטל האופייני להם. תאים סולאריים אלה מבוססים על מה שנקרא Halid או Halogenid Persovskites, חומר היברידי העשוי מרכיבים חיוביים אורגניים כמו קטיוני מתילמוניום ומלחי מתכת אורגניים כמו יוד עופרת. ההרכב והמבנה החומרי המיוחד נבדלים באופן בסיסי מתאי סולארי סיליקון מסורתיים והופכים אותו למועמד מבטיח לעתיד האנרגיה הסולארית.
הפונקציונליות של התאים הסולאריים Perovskit מבוססת על יכולתה המצוינת להמיר אור שמש לאנרגיה חשמלית. מדענים ממרכז המחקר של יליך גילו כי יש להניח כי נושאי טעינה חופשיים בתאים סולאריים של Perovskit מוגנים מפני התפוררות באמצעות מדידות פוטולומינצנטיות חדשות, מה שעלול להיות סיבה חיונית ליעילותם הגבוהה. אורך החיים של נשאי עומס נרגשים בחומר הוא גורם מכריע ליעילותם של תאים סולאריים אלה, מכיוון שהם קובעים כמה זמן ניתן לשמור על האלקטרונים שמשתחררים על ידי אור ויכולים לתרום לייצור חשמל.
בשנים האחרונות ההתפתחות הטכנולוגית של תאים סולאריים אלה התקדמה מרשימה. בעוד שלתאים סולאריים ראשונים של Perowskit עדיין היו יעילות צנועה של 4 אחוזים בלבד, הדגמים האחרונים משיגים באופן קבוע יעילות של יותר מ 20 אחוזים. מכון Fraunhofer אף השיג שיא של 31.6 אחוזים, בעוד שהחברה הגרמנית QCells השיגה יעילות של 28.6 אחוזים.
יתרונות של תאים סולאריים פרובסקי שקופים
המאפיין המצטיין ביותר של תאים סולאריים Perovskit בהשוואה למודולי סיליקון קונבנציונליים הוא השקיפות הפוטנציאלית שלהם ביעילות גבוהה. מאפיין זה פותח יישומים חדשים לחלוטין, במיוחד בתחום הפוטו -וולטאים המפורקים. ניתן לשלב תאים סולאריים שקופים או חצי -שקופים ניתן לשלב באזורי חלון, מה שלא רק משאיר בניינים פנימה, אלא גם יכולים לייצר חשמל.
ניתן להתאים את מידת השקיפות במהלך תהליך הייצור בהתאם לבקשה, לפיה יש לציין כי יעילות המרת האנרגיה פוחתת עם הגברת השקיפות. יעילות ההמרה הגבוהה ביותר שנמדדה בגרסאות שקופות היא כיום 17.9 אחוזים. כחלק מפרויקט המחקר המרשים , הוכח כי שילוב של טכנולוגיות יכול להמיר אנרגיה סולארית ביעילות של 14 אחוזים עם תואר עסקי אור ממוצע של יותר מ- 55 אחוזים. UV-perowskitzellen שקוף למחצה אפילו משיג יעילות של יותר מעשרה אחוזים עם דרגת עסקאות קלה של כ- 60 אחוזים.
בנוסף לשקיפות שלהם, תאים סולאריים של Perovskit מאופיינים ביתרונות מדהימים נוספים. הם יחסית זולים וקלים לייצור, בדומה למודולים סולאריים בשכבה דקה. הייצור הוא הרבה פחות אינטנסיבי באנרגיה בהשוואה לסיליקון, מכיוון שניתן לייצר פרובסיה בשיטות פשוטות וניתנות להרחבה כמו טכניקות הדפסת רול-רול. בנוסף, חומרי הגלם הנדרשים הם בדרך כלל בשפע, מה שומר על עלויות החומר נמוכות.
יתרון מכריע נוסף הוא הקלילות והגמישות של תאי השמש של פרובסקי. ניתן ליישם אותם על מצעים שונים כשכבה -רקיק, המרחיבה משמעותית את השימושים שלהם. מאפיין זה מאפשר יישומים חדשניים במכשירים ניידים, כלי רכב או בניית פתרונות פוטו -וולטאיים משולבים כמו חלונות סולאריים או מודולי חזית.
יישומים חדשניים בבניית שילוב
האפשרות להפוך את התאים הסולאריים של Perovskit לשקופים הופכת אותה לאטרקטיבית במיוחד עבור הפוטו-וולטאי המשולב של בניין (BIPV), בה תאים סולאריים מחליפים חומרי בניין קלאסיים כמו חלונות. הטמעת הפרובסקית בין חלונות זכוכית מאפשרת לתאים הסולאריים לשמש את החזית והקיר של הבניין בפועל, ובמקביל לייצר חשמל לשימוש באתר או להאכיל ברשת.
דוגמה קונקרטית ליישום חדשני זה הציגה את Panasonic Holdings, שהציגה מעקות זכוכית שקופים למחצה עם תאים סולאריים של פרובסקי במרפסת של בית דגם מדרום לטוקיו. אבות -טיפוס אלה מדגימים את הפוטנציאל לשילוב טכנולוגיית perovskit באלמנטים של בניין יומיומיים. פיזיקאים של לייפציג פיתחו גם תא סולארי שקוף שניתן להתאדות ישירות לחלונית חלון ובכך יכול להפוך חזיתות שלמות לתחנות כוח.
פיתוחים בתחום חלונות תרמו -שרום או "חכמים" הם צופים קדימה במיוחד. מדענים מאוניברסיטת קליפורניה בברקלי פיתחו הרחבה פונקציונלית לחלון פעיל פוטו -וולטאי, המשנה את צבעו ושקיפותו כאשר הטמפרטורה משתנה ויכולה לייצר חשמל במצב החשוך. השינוי הפיך לחלון סולארי צבעוני מבוסס על שינוי שלב של שכבות פרובסקית דקות רקיק.
במצב השקוף, גבישי ה- perovskit זמינים במבנה מעוקב והם שקופים ברובם, ואילו בטמפרטורה של כ -105 מעלות צלזיוס הם עוברים למבנה גביש פחות שקוף אך פוטו -וולטאי. זה חוסם כשני שליש מהאור הנראה ומשיג יעילות של שבעה אחוזים. מקורר לטמפרטורת החדר ונחשף לחות מסוימת, ניתן להפוך את השינוי של השלב הזה והחלון יהיה שקוף שוב.
מתאים לכך:
מאפיינים תרמיים לבניינים מיומנים באקלים
התכונות התרמוכרומיות של חלונות מבוססי פרובסקיט יכולות לתרום תרומה משמעותית ליעילות האנרגטית של מבנים. בדומה למשקפי שמש בעלי הצללה עצמית, חלונות אלה יכולים לשנות צבע עם שינויי טמפרטורה, כאשר הטמפרטורה – בניגוד לעוצמת האור במשקפי שמש – היא הגורם המכריע. ככל שהטמפרטורה עולה, החלונית השקופה משנה בהדרגה את צבעה לצהוב, כתום, אדום או חום. ככל שהיא מתחממת יותר, כך הזכוכית מתכהה יותר, מה שמאפשר קירור אוטומטי של החדר ללא צורך במיזוג אוויר.
מנגנון זה יכול לתרום משמעותית להפחתת דרישת האנרגיה לחימום וקירור. לאור העובדה כי חימום ומים חמים באוסטריה אחראים ל -25 אחוז מפליטת CO2, ולפי מחקר שנערך על ידי אוניברסיטת בירמינגהם, מספר מכשירי הקירור ברחבי העולם צריך לרבוש עד 14 מיליארד פעמים עד שנת 2050, פתרונות חלונות חכמים כאלה יכולים לתרום חשוב להגנה על האקלים.
אתגרים ופתרונות
למרות התכונות המבטיחות, תאים סולאריים של Perovskit עומדים בפני כמה אתגרים שהגבילו עד כה את היישום המסחרי הרחב שלהם. בעיה עיקרית היא היציבות שלה בתנאים סביבתיים אמיתיים. גבישי Perowskit נוטים להתארגן ופגומים, מה שעלול להוביל לבעיות יציבות. אתה עדיין לא מגיע לאריכות החיים של תאים סולאריים סיליקון ורגישים ללחות, אור וחום. יש חסרון משמעותי בהתנגדות למזג האוויר הנמוך יותר, מכיוון שהחומר יכול להתפרק בתנאי מזג אוויר קיצוניים.
עם זאת, המחקר כבר עשה התקדמות משמעותית בהתגברות על אתגרים אלה. פנסוניק, לדוגמה, הצליחה לייצר גרסה יציבה יותר מבחינה כימית של החומר ולהגן עליו מפני פגעי מזג האוויר באמצעות שימוש בזיגוג כפול. מכון המחקר הבלגי Imec, שותף בקונסורציום המחקר EnergyVille, השיג פריצת דרך במחקר על מודולים סולאריים פרובסקיט . מחקר חיצוני בן שנתיים בקפריסין הדגים את היציבות ארוכת הטווח של מודולים מיני-פרובסקיט, שהשיגו יעילות אנרגטית מרשימה של 78 אחוזים לאחר שנה בחוץ – ערך שמודולים סולאריים פרובסקיט נוכחיים יכולים לשמור לעתים קרובות רק במשך מספר שבועות.
גם בתחום המיחזור חלה התקדמות. חוקרים משוודיה פיתחו שיטה למיחזור מלא וידידותי לסביבה של תאי שמש פרובסקיט. במקום להשתמש בדימתילפורמאמיד הרעיל כדי לפרק את התאים, כפי שהיה נהוג בעבר, הצוות משתמש במים כממס כדי לפרק את הפרובסקיטים המפורקים. לאחר מכן ניתן לעשות שימוש חוזר בכל החלקים בתא שמש פרובסקיט חדש מבלי לפגוע בביצועים – לתא הסולארי הממוחזר יש את אותה יעילות כמו למקור.
עדיין ישנם אתגרים ספציפיים עבור חלונות סולאריים תרמיים. יש להפחית את טמפרטורת השינוי שלב גבוה יחסית של קצת יותר מ 100 מעלות צלזיוס ליישומים מעשיים. בנוסף, הלחות הנחוצה למיתוג הפיך עשויה להשפיע על יציבות שכבות הפרובסקיט בטווח הרחוק. עם זאת, מכיוון שההרכב של חומרי perovskit ניתן לגוון מאוד, ניתן היה למצוא תערובות חומריות במחקרים אחרים ללא חסרונות אלה והיעילות גדלה.
פוטנציאל שוק ועתידיות עתידיות
השילוב של גמישות, יתרונות עלות ויעילות יוצאת מן הכלל הופך את התאים הסולאריים של פרובסקיט לתקווה למעבר האנרגיה. חוקרי השוק של Idteechex צופים כי השוק של Perovskit Photovoltaics יגיע לנפח מכירות שנתי של כמעט 12 מיליארד דולר עד 2035. בעתיד, טכנולוגיה זו יכולה להחליף מודולים מבוססי סיליקון כטכנולוגיה דומיננטית של פוטו-וולטאים.
השילוב של פרובסקיט עם סיליקון בתאי טנדם נראה מבטיח במיוחד, שכן הוא יכול להשיג יעילות של עד 43 אחוזים – שיפור משמעותי לעומת מודולים של סיליקון טהור. ניתן להתאים חומרים פרובסקיט באופן ספציפי לניצול יעיל של אורכי גל שונים של אור שמש: בעוד פרובסקיט סופג אור קצר גל (כחול) טוב יותר, סיליקון מצטיין בטווח הגל הארוך (אדום).
עבור פוטו-וולטאיים משולבים מבניין, תאים סולאריים פרובסקית שקופים פותחים נקודות מבט חדשות לחלוטין. על מנת להחליף חלונות פסיביים במהירות האפשרית בחלונות המייצרים חשמל, החוקרים עובדים על אופטימיזציה של ביצועי הטכנולוגיות וקידום בגרות השוק של תאי ה- PV השקופים. אם ניתן להתגבר על האתגרים הקיימים שעדיין ביחס ליציבות ועמידות, חלונות סולאריים מבוססי Perovskit עשויים לתרום תרומה משמעותית לייצור אנרגיה מבוזר במרחבים עירוניים בעתיד הקרוב.
מעבר אנרגיה עירונית: חלונות מייצרים כוח עם טכנולוגיית Perovskit
תאים סולאריים של פרובסקיט, במיוחד בביצועם השקוף ליישומי חלונות , מייצגים טכנולוגיה מבטיחה לעתיד הפוטו -וולטאים. עם השילוב שלהם בין יעילות גבוהה, שקיפות, עלויות ייצור נמוכות וגמישות, הם מציעים יתרונות משמעותיים על פני תאים סולאריים סיליקון קונבנציונליים. האפשרות להפוך מבנים וחלונות למחוללי חשמל מבלי להשפיע על תפקידם העיקרי עשויה לתרום תרומה מכרעת למעבר האנרגיה בחדרים עירוניים.
ההתקדמות האחרונה בשיפור היציבות והאריכות החיים של תאים אלה בתנאים סביבתיים אמיתיים מעודדת וסלול את הדרך ליישום מסחרי רחב יותר. מאפייני התרמוכרום של כמה חלונות מבוססי perovskit נראים חדשניים במיוחד שלא רק מייצרים חשמל, אלא יכולים גם לתרום ליעילות האנרגיה של מבנים על ידי התאמת השקיפות שלהם.
בעוד שעדיין ישנם אתגרים שיש להתגבר עליהם, ההתפתחות המהירה של טכנולוגיית הפרובסקיט בשנים האחרונות מצביעה על כך שתאים סולאריים שקופים ויעילים במיוחד יוכלו בקרוב למלא תפקיד חשוב באדריכלות ובאספקת אנרגיה. טכנולוגיה חדשנית זו עשויה לשנות באופן עמוק את עתיד הבנייה – עם מבנים שחלונותיהם וחזיתותיהם לא רק אסתטיים, אלא גם תורמים באופן פעיל לאספקת האנרגיה.
מתאים לכך:
השותף הגלובלי שלך לשיווק ופיתוח עסקי
☑️ השפה העסקית שלנו היא אנגלית או גרמנית
☑️ חדש: התכתבויות בשפה הלאומית שלך!
קונרד וולפנשטיין
אני שמח להיות זמין לך ולצוות שלי כיועץ אישי.
אתה יכול ליצור איתי קשר על ידי מילוי טופס יצירת הקשר או פשוט להתקשר אליי בטלפון +49 89 674 804 (מינכן) . כתובת הדוא"ל שלי היא: וולפנשטיין ∂ xpert.digital
אני מצפה לפרויקט המשותף שלנו.
