Opublikowano: 8 marca 2025 r. / Zaktualizowano: 8 marca 2025 r. – Autor: Konrad Wolfenstein
Ogniwa fotowoltaiczne z perowskitu: potencjał transparentnych ogniw fotowoltaicznych dla nowoczesnych budynków i projektów fotowoltaicznych – Zdjęcie: Xpert.Digital
Przejrzysta transformacja energetyczna: wytwarzanie energii elektrycznej dzięki innowacyjnej technologii okiennej
Ogniwa słoneczne z perowskitu: przyszłość inteligentnych okien
Rozwój transparentnych, wysokosprawnych ogniw słonecznych otwiera nowe perspektywy integracji fotowoltaiki z budynkami. W ostatnich latach obiecującym kandydatem do tego zastosowania stały się w szczególności ogniwa perowskitowe. Dzięki sprawności sięgającej 31,6%, możliwości stosowania transparentnych konstrukcji i ekonomicznej produkcji, mogą one zrewolucjonizować wykorzystanie energii słonecznej. Aktualne badania pokazują, że dotychczas problematyczna stabilność tych ogniw została znacznie poprawiona. Szczególnie obiecujące są zastosowania w inteligentnych oknach, które nie tylko generują energię elektryczną, ale także dostosowują swoją transparentność do warunków otoczenia.
W związku z tym:
Podstawy technologii perowskitowej ogniw słonecznych
Ogniwa fotowoltaiczne z perowskitu stanowią stosunkowo nowe odkrycie w dziedzinie fotowoltaiki, a intensywne badania rozpoczęły się dopiero w 2009 roku. Swoją nazwę zawdzięczają minerałowi perowskitowi, którego charakterystyczną strukturę krystaliczną wykazują. Ogniwa te bazują na tzw. perowskitach halogenkowych, hybrydowym materiale składającym się z dodatnio naładowanych składników organicznych, takich jak kationy metyloamoniowe, oraz nieorganicznych soli metali, takich jak jodek ołowiu. Ich unikalny skład i struktura różnią się zasadniczo od tradycyjnych krzemowych ogniw fotowoltaicznych, co czyni je obiecującym kandydatem na przyszłość energetyki słonecznej.
Funkcjonalność perowskitowych ogniw słonecznych opiera się na ich doskonałej zdolności do przekształcania światła słonecznego w energię elektryczną. Naukowcy z Centrum Badawczego w Jülich odkryli, dzięki nowatorskim pomiarom fotoluminescencji, że wolne nośniki ładunku w perowskitowych ogniwach słonecznych są prawdopodobnie wyjątkowo dobrze chronione przed rozpadem, co może być kluczowym powodem ich wysokiej wydajności. Czas życia wzbudzonych nośników ładunku w materiale jest kluczowym czynnikiem wpływającym na wydajność tych ogniw słonecznych, ponieważ określa, jak długo elektrony uwalniane przez światło pozostają dostępne i mogą przyczyniać się do wytwarzania energii.
W ostatnich latach rozwój technologiczny tych ogniw słonecznych poczynił imponujące postępy. Podczas gdy pierwsze ogniwa perowskitowe charakteryzowały się skromną sprawnością na poziomie zaledwie 4%, najnowsze modele regularnie osiągają sprawność przekraczającą 20%. Instytut Fraunhofera osiągnął nawet rekordową wartość 31,6%, a niemiecka firma Qcells osiągnęła sprawność na poziomie 28,6%.
Zalety przezroczystych ogniw słonecznych z perowskitu
Najbardziej wyróżniającą się cechą perowskitowych ogniw słonecznych w porównaniu z konwencjonalnymi modułami krzemowymi jest ich potencjał transparentności w połączeniu z wysoką wydajnością. Ta właściwość otwiera zupełnie nowe możliwości zastosowań, szczególnie w dziedzinie fotowoltaiki zintegrowanej z budynkami. Przezroczyste lub półprzezroczyste ogniwa słoneczne można integrować z powierzchniami okiennymi, umożliwiając budynkom nie tylko wpuszczanie światła, ale także jednoczesne wytwarzanie energii elektrycznej.
Stopień przezroczystości można regulować w trakcie procesu produkcyjnego, w zależności od wymagań, należy jednak pamiętać, że sprawność konwersji energii maleje wraz ze wzrostem przezroczystości. Najwyższa zmierzona sprawność konwersji dla wersji transparentnych wynosi obecnie imponujące 17,9%. Projekt badawczy IMPRESSIVE wykazał, że połączenie technologii pozwala na konwersję energii słonecznej ze sprawnością 14% przy średniej przepuszczalności światła ponad 55%. Półprzezroczyste ogniwa perowskitowe UV osiągają nawet ponad 10% sprawności przy przepuszczalności światła wynoszącej około 60%.
Oprócz transparentności, ogniwa fotowoltaiczne z perowskitu oferują inne istotne zalety. Są stosunkowo niedrogie i łatwe w produkcji, podobnie jak cienkowarstwowe moduły fotowoltaiczne. Produkcja jest znacznie mniej energochłonna w porównaniu z krzemem, ponieważ perowskity można wytwarzać za pomocą prostych, skalowalnych procesów, takich jak drukowanie z rolki na rolkę. Co więcej, niezbędne surowce są zazwyczaj łatwo dostępne, co obniża koszty materiałów.
Kolejną istotną zaletą perowskitowych ogniw słonecznych jest ich lekkość i elastyczność. Można je nakładać w postaci ultracienkich warstw na różne podłoża, co znacznie rozszerza ich możliwości zastosowania. Ta właściwość umożliwia innowacyjne zastosowania w urządzeniach przenośnych, pojazdach lub zintegrowanych z budynkami rozwiązaniach fotowoltaicznych, takich jak okna solarne czy moduły fasadowe.
Innowacyjne zastosowania w integracji budynków
Możliwość nadania ogniwom perowskitowym przezroczystości czyni je szczególnie atrakcyjnymi dla systemów fotowoltaicznych zintegrowanych z budynkami (BIPV), w których ogniwa słoneczne zastępują tradycyjne materiały budowlane, takie jak okna. Umieszczenie perowskitu pomiędzy taflami szkła pozwala ogniwom słonecznym pełnić funkcję fasady i ściany budynku, jednocześnie generując energię elektryczną do użytku na miejscu lub do sieci.
Panasonic Holdings zaprezentował konkretny przykład tego innowacyjnego zastosowania, prezentując półprzezroczyste szklane balustrady z perowskitowymi ogniwami słonecznymi na balkonie domu modelowego na południe od Tokio. Te prototypy demonstrują potencjał integracji technologii perowskitowej z codziennymi elementami budowlanymi. Fizycy z Lipska opracowali również przezroczyste ogniwo słoneczne, które można nakładać metodą naparowywania bezpośrednio na szybę okienną, co potencjalnie może przekształcić całe fasady w elektrownie.
Rozwój w dziedzinie okien termochromowych, czyli „inteligentnych”, jest szczególnie obiecujący. Naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley opracowali funkcjonalne rozszerzenie okna fotowoltaicznego, które zmienia kolor i przezroczystość wraz ze zmianami temperatury, a po przyciemnieniu może generować energię elektryczną. Odwracalne przejście na kolorowe okno solarne opiera się na przemianie fazowej ultracienkich warstw perowskitu.
W stanie transparentnym kryształy perowskitu występują w strukturze sześciennej i są w dużej mierze przezroczyste, natomiast w temperaturze około 105 stopni Celsjusza przechodzą w mniej transparentną, ale fotowoltaicznie aktywną strukturę krystaliczną. Blokuje ona około dwóch trzecich światła widzialnego i osiąga sprawność na poziomie siedmiu procent. Po schłodzeniu do temperatury pokojowej i wystawieniu na działanie wilgoci, tę przemianę fazową można odwrócić, a okno ponownie staje się przezroczyste.
W związku z tym:
Właściwości termochromowe dla budynków zoptymalizowanych klimatycznie
Termochromowe właściwości okien perowskitowych mogą znacząco przyczynić się do poprawy efektywności energetycznej budynków. Podobnie jak fotochromowe okulary przeciwsłoneczne, okna te mogą zmieniać kolor w reakcji na zmiany temperatury, przy czym – w przeciwieństwie do intensywności światła w okularach przeciwsłonecznych – czynnikiem decydującym jest temperatura. Wraz ze wzrostem temperatury, przezroczysta szyba stopniowo zmienia kolor na żółty, pomarańczowy, czerwony lub brązowy. Im cieplej, tym ciemniejsze staje się szkło, co automatycznie chłodzi pomieszczenie, bez konieczności korzystania z klimatyzacji.
Mechanizm ten może znacząco przyczynić się do zmniejszenia zużycia energii na ogrzewanie i chłodzenie. Biorąc pod uwagę, że ogrzewanie i podgrzewanie wody odpowiadają za 25% emisji CO2 w Austrii, a badanie przeprowadzone przez Uniwersytet w Birmingham przewiduje, że liczba urządzeń chłodzących na świecie wzrośnie czterokrotnie do 14 miliardów do 2050 roku, takie inteligentne rozwiązania okienne mogą znacząco przyczynić się do ochrony klimatu.
Wyzwania i rozwiązania
Pomimo obiecujących właściwości, ogniwa fotowoltaiczne z perowskitu napotykają na szereg wyzwań, które dotychczas ograniczały ich powszechne zastosowanie komercyjne. Głównym problemem jest ich stabilność w rzeczywistych warunkach środowiskowych. Kryształy perowskitu mają tendencję do nieuporządkowanego wzrostu i deformacji, co może prowadzić do problemów ze stabilnością. Nie osiągają jeszcze trwałości krzemowych ogniw fotowoltaicznych i są wrażliwe na wilgoć, światło i ciepło. Istotną wadą jest ich niższa odporność na warunki atmosferyczne, ponieważ materiał może ulegać degradacji w ekstremalnych warunkach pogodowych.
Jednak badania poczyniły już znaczne postępy w pokonywaniu tych wyzwań. Na przykład firmie Panasonic udało się stworzyć chemicznie bardziej stabilną odmianę tego materiału i zabezpieczyć ją przed czynnikami atmosferycznymi dzięki zastosowaniu podwójnych szyb. Belgijski instytut badawczy Imec, partner konsorcjum badawczego EnergyVille, dokonał przełomu w badaniach nad perowskitowymi modułami fotowoltaicznymi . W dwuletnich badaniach na świeżym powietrzu na Cyprze wykazano długoterminową stabilność mini-modułów perowskitowych, które osiągnęły imponującą efektywność energetyczną na poziomie 78% po roku użytkowania na zewnątrz – wartość, którą obecne perowskitowe moduły fotowoltaiczne często utrzymują jedynie przez kilka tygodni.
Postępy poczyniono również w dziedzinie recyklingu. Naukowcy ze Szwecji opracowali metodę całkowicie przyjaznego dla środowiska recyklingu perowskitowych ogniw słonecznych. Zamiast używać toksycznego dimetyloformamidu do demontażu ogniw, jak to miało miejsce wcześniej, zespół używa wody jako rozpuszczalnika do rozkładu rozłożonych perowskitów. Wszystkie komponenty można następnie ponownie wykorzystać w nowym perowskitowym ogniwie słonecznym bez wpływu na wydajność – odzyskane ogniwo słoneczne ma taką samą sprawność jak oryginalne.
Nadal istnieją szczególne wyzwania dla termochromowych okien solarnych. Stosunkowo wysoka temperatura przemiany fazowej, wynosząca nieco ponad 100 stopni Celsjusza, wymagałaby dalszego obniżenia w zastosowaniach praktycznych. Ponadto, wilgotność wymagana do odwracalnego przełączania mogłaby osłabić długoterminową stabilność warstw perowskitowych. Ponieważ jednak skład materiałów perowskitowych może się znacznie różnić, dalsze badania mogłyby pomóc w zidentyfikowaniu mieszanek materiałów pozbawionych tych wad, a tym samym w dalszym zwiększeniu wydajności.
Potencjał rynkowy i perspektywy na przyszłość
Połączenie elastyczności, niskich kosztów i wyjątkowej wydajności sprawia, że ogniwa fotowoltaiczne z perowskitu stanowią obiecującą technologię w transformacji energetycznej. Analitycy rynku z IDTechEx przewidują, że do 2035 roku rynek fotowoltaiki perowskitowej osiągnie roczną sprzedaż na poziomie prawie 12 miliardów dolarów. Technologia ta może w przyszłości zastąpić moduły krzemowe jako dominującą technologię fotowoltaiczną.
Połączenie perowskitu z krzemem w ogniwach tandemowych wydaje się szczególnie obiecujące, potencjalnie osiągając sprawność nawet do 43 procent – co stanowi znaczną poprawę w porównaniu z modułami z czystego krzemu. Materiały perowskitowe można precyzyjnie dostosować do efektywnego wykorzystania różnych długości fal światła słonecznego: podczas gdy perowskit lepiej absorbuje światło krótkofalowe (niebieskie), krzem wyróżnia się w zakresie długofalowym (czerwonym).
Przezroczyste ogniwa fotowoltaiczne z perowskitu otwierają zupełnie nowe perspektywy dla fotowoltaiki zintegrowanej z budynkami. Aby jak najszybciej zastąpić okna pasywne oknami generującymi energię, naukowcy pracują nad optymalizacją wydajności tych technologii i przyspieszeniem wejścia transparentnych ogniw fotowoltaicznych na rynek. Jeśli uda się pokonać pozostałe wyzwania dotyczące stabilności i trwałości, okna fotowoltaiczne z perowskitu mogą w niedalekiej przyszłości znacząco przyczynić się do zdecentralizowanego wytwarzania energii w obszarach miejskich.
Transformacja energetyczna w miastach: okna generujące energię z wykorzystaniem technologii perowskitowej
Ogniwa fotowoltaiczne z perowskitu, a zwłaszcza ich transparentne wersje do zastosowań okiennych , stanowią obiecującą technologię dla przyszłości fotowoltaiki. Połączenie wysokiej wydajności, transparentności, niskich kosztów produkcji i elastyczności sprawia, że oferują one znaczące korzyści w porównaniu z konwencjonalnymi krzemowymi ogniwami fotowoltaicznymi. Możliwość przekształcania fasad budynków i okien w generatory energii bez utraty ich podstawowej funkcji może wnieść istotny wkład w transformację energetyczną w obszarach miejskich.
Ostatnie postępy w poprawie stabilności i trwałości tych ogniw w rzeczywistych warunkach środowiskowych są obiecujące i torują drogę do szerszego zastosowania komercyjnego. Właściwości termochromowe niektórych okien perowskitowych wydają się szczególnie innowacyjne, ponieważ mogą one nie tylko generować energię elektryczną, ale także przyczyniać się do efektywności energetycznej budynków poprzez regulację ich transparentności.
Choć wciąż istnieją pewne wyzwania, szybki rozwój technologii perowskitowej w ostatnich latach sugeruje, że przezroczyste, wysokowydajne ogniwa słoneczne mogą wkrótce odegrać znaczącą rolę w architekturze i energetyce. Ta innowacyjna technologia może fundamentalnie odmienić przyszłość budownictwa, tworząc budynki, których okna i fasady będą nie tylko estetyczne, ale także aktywnie przyczyniać się do produkcji energii.
W związku z tym:
Twój globalny partner w zakresie marketingu i rozwoju biznesu
☑️ Naszym językiem biznesowym jest angielski lub niemiecki
☑️ NOWOŚĆ: Korespondencja w Twoim ojczystym języku!
Konrad Wolfenstein
Ja i mój zespół chętnie będziemy do Państwa dyspozycji jako osobisty doradca.
Możesz się ze mną skontaktować, wypełniając formularz kontaktowy tutaj lub po prostu dzwoniąc pod numer +49 7348 4088 965. Mój adres e-mail to: [email protected]
Nie mogę się doczekać naszego wspólnego projektu.
