Celule solare perovskite: Potențialul fotovoltaicelor transparente pentru clădiri moderne și proiecte fotovoltaice – Imagine: Xpert.Digital
Tranziție energetică transparentă: Generarea de energie electrică prin tehnologia inovatoare a ferestrelor
Celule solare perovskite: Viitorii producători de ferestre inteligente
Dezvoltarea celulelor solare transparente și de înaltă eficiență deschide noi perspective pentru integrarea fotovoltaicelor în clădiri. Celulele solare perovskite, în special, au apărut în ultimii ani ca un candidat promițător pentru această aplicație. Cu eficiențe de până la 31,6%, posibilitatea unor designuri transparente și o fabricație rentabilă, acestea ar putea revoluționa utilizarea energiei solare. Cercetările actuale arată că stabilitatea anterior problematică a acestor celule a fost îmbunătățită semnificativ. Aplicațiile ca ferestre inteligente, care nu numai că generează electricitate, dar își pot și ajusta transparența la condițiile ambientale, sunt deosebit de promițătoare.
Legat de asta:
Fundamentele tehnologiei solare perovskite
Celulele solare perovskite reprezintă o dezvoltare relativ nouă în domeniul fotovoltaic, cercetările intensive începând abia în 2009. Acestea își datorează numele mineralului perovskit, a cărui structură cristalină caracteristică o prezintă. Aceste celule solare se bazează pe așa-numiții perovskiți halogenați, un material hibrid compus din componente organice încărcate pozitiv, cum ar fi cationii de metilamoniu, și săruri metalice anorganice, cum ar fi iodura de plumb. Compoziția și structura lor unică diferă fundamental de celulele solare tradiționale din siliciu, ceea ce le face un candidat promițător pentru viitorul energiei solare.
Funcționalitatea celulelor solare perovskite se bazează pe capacitatea lor excelentă de a converti lumina solară în energie electrică. Oamenii de știință de la Centrul de Cercetare Jülich au descoperit, prin măsurători inovatoare de fotoluminescență, că purtătorii de sarcină liberi din celulele solare perovskite sunt probabil excepțional de bine protejați împotriva dezintegrării, ceea ce ar putea fi un motiv cheie pentru eficiența lor ridicată. Durata de viață a purtătorilor de sarcină excitați din material este un factor crucial pentru eficiența acestor celule solare, deoarece determină cât timp electronii eliberați de lumină rămân disponibili și pot contribui la generarea de energie.
În ultimii ani, dezvoltarea tehnologică a acestor celule solare a înregistrat progrese impresionante. În timp ce primele celule solare perovskite aveau o eficiență modestă de doar 4%, cele mai recente modele ating în mod regulat eficiențe de peste 20%. Institutul Fraunhofer a atins chiar și o valoare record de 31,6%, în timp ce compania germană Qcells a atins o eficiență de 28,6%.
Avantajele celulelor solare perovskite transparente
Cea mai remarcabilă caracteristică a celulelor solare perovskite în comparație cu modulele convenționale de siliciu este potențialul lor de transparență combinat cu o eficiență ridicată. Această proprietate deschide posibilități de aplicare complet noi, în special în domeniul fotovoltaicelor integrate în clădiri. Celulele solare transparente sau semitransparente pot fi integrate în suprafețele ferestrelor, permițând clădirilor nu doar să lase lumina să pătrundă, ci și să genereze electricitate simultan.
Gradul de transparență poate fi ajustat în timpul procesului de fabricație în funcție de cerințe, deși trebuie menționat că eficiența conversiei energiei scade odată cu creșterea transparenței. Cea mai mare eficiență de conversie măsurată pentru versiunile transparente este în prezent, un remarcabil 17,9%. Proiectul de cercetare IMPRESSIVE a demonstrat că o combinație de tehnologii poate converti energia solară cu o eficiență de 14% la o transmitanță medie a luminii de peste 55%. Celulele perovskite UV semitransparente ating chiar și o eficiență de peste 10% la o transmitanță a luminii de aproximativ 60%.
Pe lângă transparența lor, celulele solare perovskite oferă și alte avantaje notabile. Sunt relativ ieftine și ușor de fabricat, similare modulelor solare cu peliculă subțire. Producția consumă mult mai puțină energie în comparație cu siliciul, deoarece perovskitele pot fi produse folosind procese simple și scalabile, cum ar fi imprimarea roll-to-roll. În plus, materiile prime necesare sunt în general ușor disponibile, ceea ce menține costurile materialelor scăzute.
Un alt avantaj crucial este ușurința și flexibilitatea celulelor solare perovskite. Acestea pot fi aplicate sub formă de straturi ultra-subțiri pe diverse substraturi, extinzându-le semnificativ posibilitățile de aplicare. Această proprietate permite aplicații inovatoare în dispozitive portabile, vehicule sau soluții fotovoltaice integrate în clădiri, cum ar fi ferestrele solare sau modulele de fațadă.
Aplicații inovatoare în integrarea clădirilor
Capacitatea de a face celulele solare perovskite transparente le face deosebit de atractive pentru fotovoltaica integrată în clădiri (BIPV), unde celulele solare înlocuiesc materialele de construcție tradiționale, cum ar fi ferestrele. Încorporarea perovskitului între geamuri permite celulelor solare să servească drept fațadă și perete propriu-zis al unei clădiri, generând simultan electricitate pentru utilizare la fața locului sau pentru alimentarea rețelei.
Panasonic Holdings a prezentat un exemplu concret al acestei aplicații inovatoare, prezentând balustrade din sticlă semitransparentă cu celule solare perovskite pe balconul unei case model din sudul orașului Tokyo. Aceste prototipuri demonstrează potențialul integrării tehnologiei perovskite în elementele de construcție de zi cu zi. Fizicienii din Leipzig au dezvoltat, de asemenea, o celulă solară transparentă care poate fi depusă prin vaporizare direct pe un geam, transformând potențial fațade întregi în centrale electrice.
Dezvoltările în domeniul ferestrelor termocromice sau „inteligente” sunt deosebit de promițătoare. Oamenii de știință de la Universitatea din California, Berkeley, au dezvoltat o extensie funcțională pentru o fereastră fotovoltaică care își schimbă culoarea și transparența odată cu schimbările de temperatură și poate genera electricitate atunci când se întunecă. Trecerea reversibilă la o fereastră solară colorată se bazează pe o schimbare de fază a unor straturi ultra-subțiri de perovskit.
În starea lor transparentă, cristalele de perovskit există într-o structură cubică și sunt în mare parte transparente, în timp ce la o temperatură de aproximativ 105 grade Celsius trec la o structură cristalină mai puțin transparentă, dar fotovoltaic activă. Aceasta blochează aproximativ două treimi din lumina vizibilă și atinge o eficiență de șapte procente. Când sunt răcite la temperatura camerei și expuse la o oarecare umiditate, această schimbare de fază poate fi inversată, iar fereastra devine din nou transparentă.
Legat de asta:
Proprietăți termocromice pentru clădiri optimizate din punct de vedere climatic
Proprietățile termocromice ale ferestrelor pe bază de perovskit ar putea aduce o contribuție semnificativă la eficiența energetică a clădirilor. Similar ochelarilor de soare fotocromatici, aceste ferestre își pot schimba culoarea în funcție de schimbările de temperatură, temperatura - spre deosebire de intensitatea luminii din ochelarii de soare - fiind factorul determinant. Pe măsură ce temperatura crește, geamul transparent devine treptat galben, portocaliu, roșu sau maro. Cu cât se încălzește mai mult, cu atât sticla devine mai închisă la culoare, răcind astfel camera automat și fără a fi nevoie de aer condiționat.
Acest mecanism poate contribui semnificativ la reducerea consumului de energie pentru încălzire și răcire. Având în vedere că încălzirea și apa caldă reprezintă 25% din emisiile de CO2 din Austria și că un studiu realizat de Universitatea din Birmingham preconizează că numărul dispozitivelor de răcire la nivel mondial se va cvadrupla, ajungând la 14 miliarde până în 2050, astfel de soluții inteligente pentru ferestre ar putea aduce o contribuție semnificativă la protecția climei.
Provocări și soluții
În ciuda proprietăților lor promițătoare, celulele solare perovskite se confruntă cu o serie de provocări care până acum le-au limitat aplicarea comercială pe scară largă. O problemă majoră este stabilitatea lor în condiții de mediu reale. Cristalele de perovskit tind să crească dezordonat și defectuos, ceea ce poate duce la probleme de stabilitate. Acestea nu ating încă longevitatea celulelor solare din siliciu și sunt sensibile la umiditate, lumină și căldură. Un dezavantaj semnificativ este rezistența lor mai scăzută la intemperii, deoarece materialul se poate degrada în condiții meteorologice extreme.
Cu toate acestea, cercetarea a înregistrat deja progrese semnificative în depășirea acestor provocări. Panasonic, de exemplu, a reușit să producă o variantă a materialului mai stabilă din punct de vedere chimic și să o protejeze de intemperii prin utilizarea geamurilor termopan. Institutul de cercetare belgian Imec, partener în consorțiul de cercetare EnergyVille, a realizat un progres în cercetarea modulelor solare perovskite, . Într-un studiu în aer liber, desfășurat pe parcursul a doi ani, în Cipru, a fost demonstrată stabilitatea pe termen lung a modulelor mini-perovskite, care au atins o eficiență energetică impresionantă de 78% după un an în aer liber - o valoare pe care modulele solare perovskite actuale o pot menține adesea doar câteva săptămâni.
Progrese au fost înregistrate și în domeniul reciclării. Cercetătorii din Suedia au dezvoltat o metodă pentru reciclarea completă și ecologică a celulelor solare cu perovskit. În loc să utilizeze dimetilformamida toxică pentru demontarea celulelor, așa cum se făcea anterior, echipa folosește apa ca solvent pentru a descompune perovskiții descompuși. Toate componentele pot fi apoi reutilizate într-o nouă celulă solară cu perovskit fără a afecta performanța - celula solară reciclată are aceeași eficiență ca originalul.
Există în continuare provocări specifice pentru ferestrele solare termocromice. Temperatura de schimbare de fază relativ ridicată, de puțin peste 100 de grade Celsius, ar trebui redusă și mai mult pentru aplicații practice. În plus, umiditatea necesară pentru comutarea reversibilă ar putea afecta stabilitatea pe termen lung a straturilor de perovskit. Cu toate acestea, deoarece compoziția materialelor perovskite poate varia considerabil, studii suplimentare ar putea identifica amestecuri de materiale fără aceste dezavantaje și, astfel, ar putea crește și mai mult eficiența.
Potențialul pieței și perspectivele de viitor
Combinația dintre flexibilitate, avantaje de cost și eficiență remarcabilă face din celulele solare perovskite o tehnologie promițătoare pentru tranziția energetică. Cercetătorii de piață de la IDTechEx prevăd că piața fotovoltaică perovskită va atinge un volum anual de vânzări de aproape 12 miliarde USD până în 2035. Această tehnologie ar putea înlocui modulele pe bază de siliciu ca tehnologie fotovoltaică dominantă în viitor.
Combinarea perovskitului cu siliciu în celule tandem pare deosebit de promițătoare, putând atinge eficiențe de până la 43% - o îmbunătățire semnificativă față de modulele de siliciu pur. Materialele perovskite pot fi adaptate special pentru a utiliza eficient diferite lungimi de undă ale luminii solare: în timp ce perovskitul absoarbe mai bine lumina de lungime de undă scurtă (albastră), siliciul excelează în intervalul lungimilor de undă lungi (roșie).
Celulele solare transparente pe bază de perovskit deschid perspective complet noi pentru fotovoltaica integrată în clădiri. Pentru a înlocui cât mai repede posibil ferestrele pasive cu ferestre generatoare de energie, cercetătorii lucrează la optimizarea performanței acestor tehnologii și la accelerarea pregătirii pentru piață a celulelor fotovoltaice transparente. Dacă provocările rămase privind stabilitatea și durabilitatea pot fi depășite, ferestrele solare pe bază de perovskit ar putea aduce o contribuție semnificativă la generarea descentralizată de energie în zonele urbane în viitorul apropiat.
Tranziția energetică urbană: Ferestre pentru generarea de energie electrică cu tehnologie perovskită
Celulele solare perovskite, în special versiunile lor transparente pentru aplicații la ferestre , reprezintă o tehnologie promițătoare pentru viitorul fotovoltaicelor. Prin combinația lor de eficiență ridicată, transparență, costuri de fabricație reduse și flexibilitate, acestea oferă avantaje semnificative față de celulele solare convenționale din siliciu. Capacitatea de a transforma fațadele clădirilor și ferestrele în generatoare de energie fără a compromite funcția lor principală ar putea aduce o contribuție crucială la tranziția energetică în zonele urbane.
Progresele recente în îmbunătățirea stabilității și longevității acestor celule în condiții de mediu reale sunt încurajatoare și deschid calea pentru aplicații comerciale mai largi. Proprietățile termocromice ale unor ferestre pe bază de perovskit par deosebit de inovatoare, deoarece acestea nu numai că pot genera electricitate, dar pot contribui și la eficiența energetică a clădirilor prin ajustarea transparenței acestora.
Deși rămân unele provocări, dezvoltarea rapidă a tehnologiei perovskite în ultimii ani sugerează că celulele solare transparente și de înaltă eficiență ar putea juca în curând un rol semnificativ în arhitectură și alimentarea cu energie. Această tehnologie inovatoare ar putea transforma fundamental viitorul construcțiilor, creând clădiri ale căror ferestre și fațade nu sunt doar plăcute din punct de vedere estetic, ci și contribuie activ la producția de energie.
Legat de asta:
Partenerul dumneavoastră global de marketing și dezvoltare a afacerilor
☑️ Limba noastră de afaceri este engleza sau germana
☑️ NOU: Corespondență în limba ta maternă!
Konrad Wolfenstein
Eu și echipa mea suntem bucuroși să vă fim la dispoziție în calitate de consilier personal.
Mă puteți contacta completând formularul de contact de aici sau pur și simplu sunându-mă la +49 89 89 674 804 ( München) . Adresa mea de e-mail este: wolfenstein@xpert.digital
Aștept cu nerăbdare proiectul nostru comun.
