Perovszkit napelemek: Az átlátszó fotovoltaikus rendszerek lehetőségei modern épületekben és fotovoltaikus projektekben – Kép: Xpert.Digital
Átlátható energiaátállás: Áramtermelés innovatív ablaktechnológiával
Perovszkit napelemek: Az intelligens ablakok jövőbeli gyártói
Az átlátszó, nagy hatékonyságú napelemek fejlesztése új perspektívákat nyit a fotovoltaikus rendszerek épületekbe való integrálásában. Különösen a perovszkit napelemek jelentek meg az elmúlt években ígéretes jelöltként erre az alkalmazásra. Akár 31,6 százalékos hatásfokkal, az átlátszó kialakítás lehetőségével és a költséghatékony gyártással forradalmasíthatják a napenergia-felhasználást. A jelenlegi kutatások azt mutatják, hogy ezeknek a celláknak a korábban problémás stabilitása jelentősen javult. Különösen ígéretesek az olyan alkalmazások, mint az intelligens ablakok, amelyek nemcsak áramot termelnek, hanem átlátszóságukat is a környezeti feltételekhez tudják igazítani.
Alkalmas:
A perovszkit napelemes technológia alapjai
A perovszkit napelemek viszonylag új fejlesztést képviselnek a fotovoltaikus rendszerekben, intenzív kutatásuk csak 2009-ben kezdődött. Nevüket a perovszkit ásványról köszönhetik, amelynek jellegzetes kristályszerkezetét mutatják. Ezek a napelemek úgynevezett halogenid perovszkitokon alapulnak, amelyek egy hibrid anyag, amely pozitív töltésű szerves komponensekből, például metil-ammónium-kationokból és szervetlen fémsókból, például ólom-jodidból áll. Egyedi anyagösszetételük és szerkezetük alapvetően eltér a hagyományos szilícium napelemektől, így ígéretes jelöltként szolgálhatnak a napenergia jövője számára.
A perovszkit napelemek működése azon a kiváló képességükön múlik, hogy a napfényt elektromos energiává alakítják. A Jülich Kutatóközpont tudósai új fotolumineszcencia-mérésekkel felfedezték, hogy a perovszkit napelemekben található szabad töltéshordozók valószínűleg kivételesen jól védettek a bomlás ellen, ami kulcsfontosságú oka lehet a magas hatásfokuknak. Az anyagban lévő gerjesztett töltéshordozók élettartama kulcsfontosságú tényező ezen napelemek hatékonysága szempontjából, mivel ez határozza meg, hogy a fény által kibocsátott elektronok mennyi ideig maradnak elérhetőek, és mennyi ideig tudnak hozzájárulni az energiatermeléshez.
Az utóbbi években ezen napelemek technológiai fejlődése lenyűgöző előrelépést tett. Míg az első perovszkit napelemek szerény, mindössze 4 százalékos hatásfokkal rendelkeztek, a legújabb modellek rendszeresen több mint 20 százalékos hatásfokot érnek el. A Fraunhofer Intézet rekordnak számító 31,6 százalékos értéket ért el, míg a német Qcells cég 28,6 százalékos hatásfokot ért el.
Az átlátszó perovszkit napelemek előnyei
A perovszkit napelemek legkiemelkedőbb tulajdonsága a hagyományos szilícium modulokkal összehasonlítva az átlátszóság és a nagy hatásfok kombinációja. Ez a tulajdonság teljesen új alkalmazási lehetőségeket nyit meg, különösen az épületbe integrált fotovoltaikus rendszerek területén. Az átlátszó vagy félig átlátszó napelemek ablakfelületekbe integrálhatók, lehetővé téve, hogy az épületek ne csak a fényt engedjék be, hanem egyidejűleg áramot is termeljenek.
Az átlátszóság mértéke a gyártási folyamat során az igényeknek megfelelően állítható, bár meg kell jegyezni, hogy az energiaátalakítási hatásfok az átlátszóság növekedésével csökken. Az átlátszó változatok esetében a legmagasabb mért konverziós hatásfok jelenleg figyelemre méltó 17,9 százalék. Az IMPRESSIVE kutatási projekt kimutatta, hogy a technológiák kombinációja 14 százalékos hatásfokkal képes átalakítani a napenergiát, átlagosan több mint 55 százalékos fényáteresztés mellett. A félig átlátszó UV-perovszkit cellák akár több mint 10 százalékos hatásfokot is elérhetnek körülbelül 60 százalékos fényáteresztés mellett.
Az átlátszóságuk mellett a perovszkit napelemek további jelentős előnyöket is kínálnak. Viszonylag olcsók és könnyen gyárthatók, hasonlóan a vékonyrétegű napelemekhez. A gyártás lényegesen kevésbé energiaigényes a szilíciumhoz képest, mivel a perovszkitok egyszerű, skálázható eljárásokkal, például tekercsről tekercsre nyomtatással állíthatók elő. Továbbá a szükséges nyersanyagok általában könnyen beszerezhetők, ami alacsonyan tartja az anyagköltségeket.
További fontos előny a perovszkit napelemek könnyűsége és rugalmassága. Ultravékony rétegként alkalmazhatók különféle hordozókra, ami jelentősen bővíti alkalmazási lehetőségeit. Ez a tulajdonság innovatív alkalmazásokat tesz lehetővé hordozható eszközökben, járművekben vagy épületbe integrált fotovoltaikus megoldásokban, például napelemes ablakokban vagy homlokzati modulokban.
Innovatív alkalmazások az épületintegrációban
A perovszkit napelemek átlátszóvá tételének képessége különösen vonzóvá teszi őket az épületbe integrált fotovoltaikus rendszerek (BIPV) számára, ahol a napelemek a hagyományos építőanyagokat, például az ablakokat váltják ki. A perovszkit üvegtáblák közé ágyazása lehetővé teszi, hogy a napelemek az épület tényleges homlokzataként és falaként szolgáljanak, miközben egyidejűleg villamos energiát termelnek helyszíni felhasználásra vagy a hálózatba való betáplálásra.
A Panasonic Holdings egy konkrét példát mutatott be erre az innovatív alkalmazásra, egy Tokiótól délre fekvő modellház erkélyén perovszkit napelemekkel ellátott, félig átlátszó üvegkorlátokat állítva ki. Ezek a prototípusok demonstrálják a perovszkit technológia mindennapi épületelemekbe való integrálásának lehetőségét. Lipcsei fizikusok egy átlátszó napelemet is kifejlesztettek, amely közvetlenül az ablaktáblára párologtatható le, így akár teljes homlokzatokat is erőművekké alakíthat.
Különösen ígéretesek a termokróm, vagyis az „intelligens” ablakok területén elért fejlesztések. A kaliforniai Berkeley-i Egyetem tudósai kifejlesztettek egy funkcionális kiterjesztést egy fotovoltaikus ablakhoz, amely a hőmérséklet-változással megváltoztatja színét és átlátszóságát, és sötétedéskor áramot képes termelni. A színes napelemes ablakra való visszafordítható átállás az ultravékony perovszkit rétegek fázisváltozásán alapul.
Átlátszó állapotukban a perovszkit kristályok köbös szerkezetben léteznek, és nagyrészt átlátszóak, míg körülbelül 105 Celsius-fokos hőmérsékleten egy kevésbé átlátszó, de fotovoltaikusan aktív kristályszerkezetté alakulnak át. Ez a látható fény körülbelül kétharmadát blokkolja, és hét százalékos hatásfokot ér el. Szobahőmérsékletre hűtve és némi nedvességnek kitéve ez a fázisváltozás visszafordítható, és az ablak ismét átlátszóvá válik.
Alkalmas:
Termokróm tulajdonságok klímaoptimalizált épületekhez
A perovszkit alapú ablakok termokróm tulajdonságai jelentősen hozzájárulhatnak az épületek energiahatékonyságához. A fotokróm napszemüvegekhez hasonlóan ezek az ablakok a hőmérséklet-változásokra reagálva változtathatják a színüket, ahol a hőmérséklet – a napszemüvegek fényintenzitásával ellentétben – a meghatározó tényező. Ahogy a hőmérséklet emelkedik, az átlátszó üveg fokozatosan sárgára, narancssárgára, pirosra vagy barnára változik. Minél melegebb lesz, annál sötétebb lesz az üveg, így automatikusan és légkondicionálás nélkül lehűti a helyiséget.
Ez a mechanizmus jelentősen hozzájárulhat a fűtésre és hűtésre fordított energiafogyasztás csökkentéséhez. Tekintettel arra, hogy Ausztriában a fűtés és a melegvíz-előállítás a szén-dioxid-kibocsátás 25 százalékáért felelős, és hogy a Birminghami Egyetem tanulmánya szerint a hűtőberendezések száma világszerte 2050-re megnégyszereződik, elérve a 14 milliárdot, az ilyen intelligens ablakmegoldások jelentősen hozzájárulhatnak az éghajlatvédelemhez.
Kihívások és megoldások
Ígéretes tulajdonságaik ellenére a perovszkit napelemek számos kihívással néznek szembe, amelyek eddig korlátozták széles körű kereskedelmi alkalmazásukat. Az egyik fő probléma a stabilitásuk valós környezeti körülmények között. A perovszkit kristályok hajlamosak rendezetlenül és hibásan növekedni, ami stabilitási problémákhoz vezethet. Még nem érik el a szilícium napelemek hosszú élettartamát, és érzékenyek a páratartalomra, a fényre és a hőre. Jelentős hátrányuk az alacsonyabb időjárásállóságuk, mivel az anyag szélsőséges időjárási körülmények között lebomolhat.
A kutatások azonban már jelentős előrelépést tettek e kihívások leküzdésében. A Panasonicnak például sikerült az anyag kémiailag stabilabb változatát előállítania, és dupla üvegezéssel megvédeni azt az elemektől. A belga Imec kutatóintézet, az EnergyVille kutatási konzorcium partnere, áttörést ért el a perovszkit napelemes modulok kutatásában . Egy kétéves ciprusi kültéri vizsgálatban igazolták a mini-perovszkit modulok hosszú távú stabilitását, amelyek egy év kültéri tartózkodás után lenyűgöző, 78 százalékos energiahatékonyságot értek el – ezt az értéket a jelenlegi perovszkit napelemek gyakran csak néhány hétig tudják fenntartani.
Előrelépés történt az újrahasznosítás területén is. Svéd kutatók kidolgoztak egy módszert a perovszkit napelemek teljes és környezetbarát újrahasznosítására. Ahelyett, hogy a mérgező dimetil-formamidot használták volna a cellák szétszereléséhez, ahogy azt korábban tették, a csapat vizet használ oldószerként a lebomlott perovszkitok lebontására. Ezután minden alkatrész újrafelhasználható egy új perovszkit napelemben a teljesítmény befolyásolása nélkül – az újrahasznosított napelem ugyanolyan hatékony, mint az eredeti.
A termokróm napelemes ablakok továbbra is különleges kihívásokkal néznek szembe. A gyakorlati alkalmazásokhoz a viszonylag magas, alig 100 Celsius-fok feletti fázisváltozási hőmérsékletet tovább kellene csökkenteni. Továbbá a reverzibilis kapcsoláshoz szükséges páratartalom ronthatja a perovszkit rétegek hosszú távú stabilitását. Mivel azonban a perovszkit anyagok összetétele jelentősen változhat, további vizsgálatok azonosíthatják azokat az anyagkeverékeket, amelyek nem rendelkeznek ezekkel a hátrányokkal, és így tovább növelhetik a hatékonyságot.
Piaci potenciál és jövőbeli kilátások
A rugalmasság, a költségelőnyök és a kiemelkedő hatékonyság kombinációja teszi a perovszkit napelemeket ígéretes technológiává az energetikai átálláshoz. Az IDTechEx piackutatói azt jósolják, hogy a perovszkit fotovoltaikus piac 2035-re eléri a közel 12 milliárd USD éves értékesítési volument. Ez a technológia a jövőben a szilícium alapú modulokat válthatja fel, mint a domináns fotovoltaikus technológia.
A perovszkit és a szilícium kombinációja tandem cellákban különösen ígéretesnek tűnik, akár 43 százalékos hatásfokot is elérhet – ami jelentős javulás a tiszta szilícium modulokhoz képest. A perovszkit anyagok kifejezetten úgy alakíthatók ki, hogy hatékonyan használják a napfény különböző hullámhosszait: Míg a perovszkit jobban elnyeli a rövid hullámhosszú (kék) fényt, a szilícium a hosszú hullámhosszú (vörös) tartományban jeleskedik.
Az átlátszó perovszkit napelemek teljesen új perspektívákat nyitnak az épületbe integrált fotovoltaikus rendszerek számára. A passzív ablakok mielőbbi energiatermelő ablakokkal való lecserélése érdekében a kutatók azon dolgoznak, hogy optimalizálják ezen technológiák teljesítményét és felgyorsítsák az átlátszó fotovoltaikus cellák piaci alkalmasságát. Ha a stabilitással és tartóssággal kapcsolatos fennmaradó kihívásokat sikerül leküzdeni, a perovszkit alapú napelemes ablakok a közeljövőben jelentősen hozzájárulhatnak a decentralizált energiatermeléshez a városi területeken.
Városi energiaátállás: Perovszkit technológiával működő energiatermelő ablakok
A perovszkit napelemek, különösen azok ablakalkalmazásokhoz használt átlátszó változatai , ígéretes technológiát jelentenek a fotovoltaikus energia jövője szempontjából. A magas hatásfok, az átlátszóság, az alacsony gyártási költségek és a rugalmasság kombinációjával jelentős előnyöket kínálnak a hagyományos szilícium napelemekkel szemben. Az épülethomlokzatok és ablakok energiatermelővé alakításának képessége elsődleges funkciójuk feláldozása nélkül döntő mértékben hozzájárulhat a városi területek energetikai átállásához.
A cellák valós környezeti körülmények közötti stabilitásának és tartósságának javításában elért legújabb eredmények biztatóak, és utat nyitnak a szélesebb körű kereskedelmi alkalmazás előtt. Egyes perovszkit alapú ablakok termokróm tulajdonságai különösen innovatívnak tűnnek, mivel nemcsak áramot termelhetnek, hanem az épületek energiahatékonyságához is hozzájárulhatnak az átlátszóságuk beállításával.
Bár továbbra is fennállnak bizonyos kihívások, a perovszkit technológia gyors fejlődése az elmúlt években arra utal, hogy az átlátszó, nagy hatékonyságú napelemek hamarosan jelentős szerepet játszhatnak az építészetben és az energiaellátásban. Ez az innovatív technológia alapvetően átalakíthatja az építőipar jövőjét, olyan épületeket hozva létre, amelyek ablakai és homlokzatai nemcsak esztétikusak, hanem aktívan hozzájárulnak az energiatermeléshez is.
Alkalmas:
Az Ön globális marketing- és üzletfejlesztési partnere
☑️ Üzleti nyelvünk angol vagy német
☑️ ÚJ: Levelezés az Ön nemzeti nyelvén!
Konrad Wolfenstein
Szívesen szolgálok Önt és csapatomat személyes tanácsadóként.
Felveheti velem a kapcsolatot az itt található kapcsolatfelvételi űrlap kitöltésével , vagy egyszerűen hívjon a +49 89 89 674 804 (München) . Az e-mail címem: wolfenstein ∂ xpert.digital
Nagyon várom a közös projektünket.
