GiPV: Fotovoltaik yang terintegrasi dengan bangunan dengan modul surya yang sebagian transparan – fotovoltaik yang terintegrasi dengan bangunan

Fotovoltaik terintegrasi bangunan (BIPV) merujuk pada material fotovoltaik yang menggantikan material bangunan konvensional di bagian-bagian selubung bangunan, seperti atap, jendela atap, atau fasad. Teknologi ini semakin banyak diintegrasikan ke dalam bangunan baru sebagai sumber daya listrik utama atau sekunder, dan bangunan yang sudah ada juga dapat dipasang teknologi serupa. Keuntungan fotovoltaik terintegrasi dibandingkan sistem konvensional yang tidak terintegrasi adalah biaya awal dapat diimbangi dengan mengurangi pengeluaran untuk material bangunan dan tenaga kerja yang biasanya diperlukan untuk membangun bagian bangunan yang digantikan oleh modul BIPV. Selain itu, BIPV memungkinkan penerimaan instalasi surya yang lebih luas ketika estetika bangunan menjadi pertimbangan dan panel surya konvensional yang dipasang di rak akan mengurangi tampilan yang diinginkan.

Istilah BAPV (building-applied photovoltaics) terkadang digunakan untuk merujuk pada sistem fotovoltaik yang dipasang kemudian pada sebuah bangunan. Sebagian besar sistem terintegrasi bangunan memang merupakan BAPV. Beberapa produsen dan pengembang membedakan antara BIPV dan BAPV dalam konstruksi baru.

Aplikasi fotovoltaik terintegrasi bangunan (BIPV) muncul pada tahun 1970-an. Modul fotovoltaik berbingkai aluminium dipasang pada bangunan, biasanya terletak di daerah terpencil tanpa akses ke jaringan listrik. Pada tahun 1980-an, sistem PV atap mulai dipasang. Sistem PV ini umumnya dipasang pada bangunan yang terhubung ke jaringan listrik dan terletak di daerah dengan pembangkit listrik terpusat. Pada tahun 1990-an, produk BIPV yang dirancang khusus untuk diintegrasikan ke dalam selubung bangunan mulai tersedia secara komersial. Disertasi doktoral tahun 1998 oleh Patrina Eiffert, berjudul "Penilaian Ekonomi BIPV," berhipotesis bahwa suatu hari nanti akan ada nilai ekonomi dalam perdagangan kredit energi terbarukan (REC). Penilaian ekonomi dan sejarah singkat BIPV oleh Laboratorium Energi Terbarukan Nasional AS pada tahun 2011 menunjukkan bahwa tantangan teknis yang signifikan masih ada sebelum biaya pemasangan BIPV dapat bersaing dengan biaya sistem fotovoltaik. Namun, terdapat konsensus yang berkembang bahwa sistem BIPV, melalui komersialisasi yang luas, akan menjadi tulang punggung target Bangunan Nol Energi (ZEB) Eropa pada tahun 2020. Terlepas dari kemungkinan teknis yang menjanjikan, hambatan sosial terhadap adopsi yang luas juga telah diidentifikasi, seperti budaya konservatif industri konstruksi dan integrasi ke dalam perencanaan kota dengan kepadatan tinggi. Para penulis menunjukkan bahwa adopsi jangka panjang kemungkinan besar akan bergantung pada keputusan kebijakan yang efektif sama seperti pada perkembangan teknologi.

Modul surya semi-transparan menawarkan cara menarik untuk mengintegrasikan fotovoltaik terintegrasi bangunan (BIPV) ke dalam arsitektur dan perencanaan kota. Jenis pembangkit energi surya baru ini sangat mungkin menjadi komponen penting produksi listrik global di masa depan.

Sistem fotovoltaik terintegrasi bangunan dengan modul surya semi-transparan merupakan pilihan menarik untuk membangun bangunan hemat energi. Teknologi ini dapat membantu mengurangi biaya energi sekaligus meningkatkan tampilan eksterior bangunan.

Selain itu, panel surya semi-transparan dapat digunakan untuk mengarahkan cahaya alami ke interior bangunan. Hal ini tidak hanya menghemat energi tetapi juga mengurangi biaya penerangan buatan.

Singkatnya, fotovoltaik terintegrasi bangunan (BIPV) adalah bentuk energi terbarukan yang sangat efisien dan serbaguna. Teknologi ini berpotensi untuk meningkatkan pasokan energi bangunan secara berkelanjutan.

Modul surya yang terbuat dari silikon kristal untuk pembangkit listrik yang dipasang di tanah dan di atap.

Modul PV surya film tipis silikon kristal amorf, yang dapat berongga, ringan, berwarna merah, biru, dan kuning, digunakan sebagai fasad kaca dan jendela atap transparan.

Sel film tipis berbasis CIGS (tembaga indium galium selenida) pada modul fleksibel yang dilaminasi ke elemen selubung bangunan, atau sel CIGS dipasang langsung ke substrat selubung bangunan.

Modul surya berlapis ganda dengan sel berbentuk persegi di dalamnya.

atap datar

Solusi yang paling umum digunakan hingga saat ini adalah sel surya film tipis amorf yang terintegrasi ke dalam modul polimer fleksibel, yang dipasang dengan lapisan perekat di antara lapisan belakang modul surya dan membran atap. Dengan menggunakan teknologi tembaga indium galium selenida (CIGS), sebuah perusahaan AS telah mencapai efisiensi sel sebesar 17% untuk modul terintegrasi bangunan dalam membran TPO lapisan tunggal.

Atap miring

Genteng surya adalah genteng (keramik) dengan modul surya terintegrasi. Genteng surya keramik dikembangkan dan dipatenkan oleh sebuah perusahaan Belanda pada tahun 2013.

Modul-modul yang berbentuk seperti beberapa genteng.

Genteng surya adalah modul yang terlihat dan berfungsi seperti genteng biasa, tetapi berisi sel film tipis yang fleksibel.

Lapisan pelindung ini memperpanjang masa pakai normal atap dengan melindungi insulasi dan membran dari radiasi UV dan kerusakan akibat air. Mereka juga mencegah kondensasi dengan menjaga titik embun tetap di atas membran atap.

Atap miring berbahan logam (baik struktural maupun arsitektural) kini dilengkapi dengan fungsi PV, baik dengan menempelkan modul fleksibel yang berdiri sendiri atau dengan menyegel sel CIGS secara langsung ke substrat menggunakan metode pemanasan dan vakum.

fasad

Fasad dapat dipasang pada bangunan yang sudah ada, sehingga memberikan tampilan yang sepenuhnya baru. Modul-modul ini dipasang pada fasad bangunan di atas struktur yang sudah ada, yang dapat meningkatkan daya tarik bangunan dan nilai jualnya.

glazur

Jendela fotovoltaik adalah modul (semi-)transparan yang dapat menggantikan sejumlah elemen arsitektur yang biasanya terbuat dari kaca atau bahan serupa, seperti jendela dan skylight. Jendela ini tidak hanya menghasilkan energi listrik tetapi juga dapat mencapai penghematan energi lebih lanjut karena sifat insulasi termalnya yang sangat baik dan kemampuannya untuk mengontrol radiasi matahari.

Jendela kaca fotovoltaik: Integrasi teknologi penghasil energi ke dalam bangunan perumahan dan komersial telah membuka area penelitian tambahan yang lebih menekankan pada estetika keseluruhan produk akhir. Meskipun tujuannya tetap untuk mencapai efisiensi tinggi, perkembangan baru dalam jendela fotovoltaik juga bertujuan untuk menawarkan konsumen tingkat transparansi kaca yang optimal dan/atau pilihan untuk memilih dari berbagai warna. Panel surya dengan warna berbeda dapat dirancang untuk menyerap rentang panjang gelombang tertentu secara optimal dari spektrum yang lebih luas. Kaca fotovoltaik berwarna telah berhasil dikembangkan menggunakan sel surya semi-transparan, perovskit, dan sel surya peka pewarna.

• Sel surya plasmonik yang menyerap dan memantulkan cahaya berwarna dikembangkan menggunakan teknologi Fabry-Pérot-Etalon. Sel-sel ini terdiri dari dua lapisan logam reflektif paralel dan lapisan rongga dielektrik di antaranya. Kedua elektroda terbuat dari perak (Ag), dan rongga di antaranya terbuat dari Sb₂O₃. Dengan mengubah ketebalan dan indeks bias rongga dielektrik, panjang gelombang yang paling baik diserap dapat diubah. Mencocokkan warna kaca lapisan penyerapan dengan bagian spektrum tertentu yang paling sesuai dengan ketebalan dan indeks bias sel akan meningkatkan estetika sel dengan memperkuat warnanya dan meminimalkan kehilangan arus foto. Perangkat cahaya merah dan biru mencapai transmitansi masing-masing sebesar 34,7% dan 24,6%. Perangkat biru dapat mengubah 13,3% cahaya yang diserap menjadi listrik, menjadikannya yang paling efisien dari semua perangkat berwarna yang dikembangkan dan diuji.
• Teknologi sel surya perovskit dapat disesuaikan untuk panjang gelombang merah, hijau, dan biru dengan mengubah ketebalan nanowire logam menjadi 8, 20, dan 45 nm, masing-masing. Efisiensi daya maksimum sebesar 10,12%, 8,17%, dan 7,72% dicapai dengan menyesuaikan reflektansi kaca ke panjang gelombang yang paling sesuai untuk sel tersebut.
• Sel surya peka pewarna menggunakan elektrolit cair untuk menangkap cahaya dan mengubahnya menjadi energi yang dapat digunakan, mirip dengan bagaimana pigmen alami memungkinkan fotosintesis pada tumbuhan. Meskipun klorofil adalah pigmen spesifik yang bertanggung jawab atas warna hijau pada daun, pigmen alami lainnya, seperti karotenoid dan antosianin, menghasilkan variasi warna oranye dan ungu. Para peneliti di Universitas Concepción telah menunjukkan kelayakan sel surya berwarna peka pewarna yang tampak cerah dan secara selektif menyerap panjang gelombang cahaya tertentu. Solusi berbiaya rendah ini menggunakan pigmen alami yang berasal dari buah maqui, myrtle hitam, dan bayam sebagai sensitizer. Sensitizer alami ini kemudian diapit di antara dua lapisan kaca transparan. Meskipun efisiensi sel yang sangat murah ini masih belum jelas, penelitian sebelumnya pada sel surya peka pewarna organik telah mencapai "efisiensi konversi daya tinggi sebesar 9,8%.".

Sel surya transparan menggunakan lapisan timah oksida di bagian dalam panel kaca untuk menghantarkan listrik dari sel. Sel tersebut mengandung titanium oksida yang dilapisi dengan pewarna fotolistrik.

Sebagian besar sel surya konvensional menggunakan cahaya tampak dan inframerah untuk menghasilkan listrik. Sebaliknya, sel surya inovatif baru ini juga memanfaatkan radiasi ultraviolet. Jika digunakan sebagai pengganti kaca jendela konvensional atau ditempatkan di atas kaca yang sudah ada, area pemasangannya bisa luas, sehingga berpotensi menghasilkan aplikasi yang menggabungkan pembangkit listrik, penerangan, dan pengendalian suhu.

Istilah lain untuk fotovoltaik transparan adalah "fotovoltaik tembus cahaya" (hanya memungkinkan setengah dari cahaya yang datang untuk melewatinya). Mirip dengan fotovoltaik anorganik, fotovoltaik organik juga bisa tembus cahaya.

Tidak selektif terhadap panjang gelombang

Beberapa sistem fotovoltaik non-selektif panjang gelombang mencapai semi-transparansi melalui segmentasi spasial sel surya buram. Metode ini menggunakan semua jenis sel surya buram dan mendistribusikan beberapa sel kecil ke substrat transparan. Segmentasi ini secara drastis mengurangi efisiensi konversi energi dan meningkatkan transmisi.

Cabang lain dari fotovoltaik non-selektif panjang gelombang memanfaatkan semikonduktor film tipis penyerap cahaya tampak dengan ketebalan kecil atau celah pita yang cukup besar sehingga memungkinkan cahaya melewatinya. Hal ini menghasilkan fotovoltaik semi-transparan dengan pertukaran langsung yang serupa antara efisiensi dan transmisi seperti sel surya buram yang tersegmentasi secara spasial.

Cabang lain dari fotovoltaik non-selektif panjang gelombang memanfaatkan semikonduktor film tipis penyerap cahaya tampak dengan ketebalan rendah atau celah pita yang cukup besar sehingga memungkinkan cahaya melewatinya. Hal ini menghasilkan fotovoltaik semi-transparan dengan pertukaran langsung yang serupa antara efisiensi dan transmisi seperti sel surya buram yang tersegmentasi secara spasial.

Fotovoltaik selektif panjang gelombang

Fotovoltaik selektif panjang gelombang (WSPV) mencapai transparansi melalui penggunaan material yang hanya menyerap cahaya UV dan/atau NIR dan pertama kali diperkenalkan pada tahun 2011. Meskipun transmisi lebih tinggi, efisiensi konversi energi lebih rendah karena sejumlah masalah. Ini termasuk panjang difusi eksiton yang pendek, penskalaan elektroda transparan tanpa mengorbankan efisiensi, dan masa pakai keseluruhan karena ketidakstabilan inheren dari material organik yang digunakan dalam WSPV.

Inovasi dalam fotovoltaik transparan dan tembus cahaya

Upaya awal untuk mengembangkan fotovoltaik organik semi-transparan non-selektif panjang gelombang dengan lapisan aktif yang sangat tipis yang menyerap spektrum tampak mencapai efisiensi kurang dari 1%. Namun, pada tahun 2011, fotovoltaik organik transparan yang menggunakan donor kloroaluminium ftalosianin organik (ClAlPc) dan akseptor fullerene menunjukkan penyerapan dalam spektrum ultraviolet dan inframerah dekat (NIR) dengan efisiensi sekitar 1,3% dan transmisi cahaya tampak melebihi 65%. Pada tahun 2017, para peneliti MIT mengembangkan metode untuk berhasil mengendapkan elektroda graphene transparan ke sel surya organik, menghasilkan transmisi cahaya tampak 61% dan peningkatan efisiensi sebesar 2,8–4,1%.

Sel surya perovskit, yang sangat populer sebagai fotovoltaik generasi berikutnya dengan efisiensi melebihi 25%, juga terbukti menjanjikan untuk fotovoltaik transparan. Pada tahun 2015, sel surya perovskit semi-transparan dengan perovskit metilamonium timbal triiodida dan elektroda atas berupa kisi-kisi kawat nano perak menunjukkan transmisi sebesar 79% pada panjang gelombang 800 nm dan efisiensi sekitar 12,7%.