Publicerad den: 8 mars 2025 / Uppdaterad den: 8 mars 2025 – Författare: Konrad Wolfenstein
Perovskitsolceller: Potentialen hos transparenta solceller för moderna byggnader och solcellsprojekt – Bild: Xpert.Digital
Transparent energiomställning: Elproduktion genom innovativ fönsterteknik
Perovskitsolceller: Framtidens tillverkare av smarta fönster
Utvecklingen av transparenta, högeffektiva solceller öppnar upp nya perspektiv för att integrera solceller i byggnader. Perovskitsolceller har i synnerhet framstått som en lovande kandidat för denna tillämpning de senaste åren. Med effektivitet på upp till 31,6 procent, möjligheten till transparenta designer och kostnadseffektiv tillverkning skulle de kunna revolutionera solenergianvändningen. Aktuell forskning visar att den tidigare problematiska stabiliteten hos dessa celler har förbättrats avsevärt. Tillämpningar som smarta fönster, som inte bara genererar elektricitet utan också kan anpassa sin transparens till omgivningsförhållandena, är särskilt lovande.
Lämplig för detta:
Grunderna i perovskit solenergiteknik
Perovskitsolceller representerar en relativt ny utveckling inom solceller, med intensiv forskning som först började 2009. De har fått sitt namn från mineralet perovskit, vars karakteristiska kristallstruktur de uppvisar. Dessa solceller är baserade på så kallade halogenidperovskiter, ett hybridmaterial som består av positivt laddade organiska komponenter såsom metylammoniumkatjoner och oorganiska metallsalter såsom blyjodid. Deras unika materialsammansättning och struktur skiljer sig fundamentalt från traditionella kiselsolceller, vilket gör dem till en lovande kandidat för solenergins framtid.
Funktionaliteten hos perovskitsolceller är beroende av deras utmärkta förmåga att omvandla solljus till elektrisk energi. Forskare vid Jülich Research Centre har genom nya fotoluminescensmätningar upptäckt att fria laddningsbärare i perovskitsolceller sannolikt är exceptionellt väl skyddade mot sönderfall, vilket kan vara en viktig orsak till deras höga effektivitet. Livslängden hos exciterade laddningsbärare i materialet är en avgörande faktor för effektiviteten hos dessa solceller, eftersom den avgör hur länge de elektroner som frigörs av ljuset förblir tillgängliga och kan bidra till kraftproduktion.
Under senare år har den tekniska utvecklingen av dessa solceller gjort imponerande framsteg. Medan de första perovskitsolcellerna hade en blygsam verkningsgrad på endast 4 procent, uppnår de senaste modellerna regelbundet verkningsgrader på mer än 20 procent. Fraunhofer-institutet uppnådde till och med ett rekordvärde på 31,6 procent, medan det tyska företaget Qcells nådde en verkningsgrad på 28,6 procent.
Fördelar med transparenta perovskit-solceller
Den mest framstående egenskapen hos perovskitsolceller jämfört med konventionella kiselmoduler är deras potential för transparens i kombination med hög effektivitet. Denna egenskap öppnar upp för helt nya tillämpningsmöjligheter, särskilt inom området byggnadsintegrerad solcellsteknik. Transparenta eller halvtransparenta solceller kan integreras i fönsterytor, vilket gör att byggnader inte bara kan släppa in ljus utan också generera elektricitet samtidigt.
Transparensgraden kan justeras under tillverkningsprocessen beroende på behov, men det bör noteras att energiomvandlingseffektiviteten minskar med ökande transparens. Den högsta uppmätta omvandlingseffektiviteten för transparenta versioner är för närvarande anmärkningsvärda 17,9 procent. Forskningsprojektet IMPRESSIVE visade att en kombination av tekniker kan omvandla solenergi med en effektivitet på 14 procent vid en genomsnittlig ljusgenomsläpplighet på mer än 55 procent. Halvtransparenta UV-perovskitceller uppnår till och med en effektivitet på mer än 10 procent vid en ljusgenomsläpplighet på cirka 60 procent.
Förutom sin transparens erbjuder perovskitsolceller andra anmärkningsvärda fördelar. De är relativt billiga och enkla att tillverka, i likhet med tunnfilmssolmoduler. Produktionen är betydligt mindre energikrävande jämfört med kisel, eftersom perovskiter kan produceras med enkla, skalbara processer som rulle-till-rulle-tryckning. Dessutom är de nödvändiga råvarorna i allmänhet lättillgängliga, vilket håller materialkostnaderna nere.
En annan avgörande fördel är perovskit-solcellernas lätthet och flexibilitet. De kan appliceras som ultratunna lager på olika substrat, vilket avsevärt utökar deras tillämpningsmöjligheter. Denna egenskap möjliggör innovativa tillämpningar i bärbara enheter, fordon eller byggnadsintegrerade solcellslösningar som solfönster eller fasadmoduler.
Innovativa tillämpningar inom byggnadsintegration
Möjligheten att göra perovskitsolceller transparenta gör dem särskilt attraktiva för byggnadsintegrerade solceller (BIPV), där solceller ersätter traditionella byggmaterial som fönster. Genom att bädda in perovskiten mellan glasrutor kan solcellerna fungera som själva fasaden och väggen på en byggnad, samtidigt som de genererar elektricitet för användning på plats eller matning in i elnätet.
Panasonic Holdings presenterade ett konkret exempel på denna innovativa tillämpning, där de visade upp halvtransparenta glasräcken med perovskitsolceller på balkongen i ett modellhus söder om Tokyo. Dessa prototyper visar potentialen att integrera perovskitteknik i vardagliga byggnadselement. Fysiker i Leipzig har också utvecklat en transparent solcell som kan ångdeponeras direkt på en fönsterruta, vilket potentiellt kan omvandla hela fasader till kraftverk.
Utvecklingen inom termokroma eller "smarta" fönster är särskilt lovande. Forskare vid University of California, Berkeley, har utvecklat en funktionell utbyggnad för ett solcellsfönster som ändrar färg och transparens med temperaturförändringar och kan generera elektricitet när det mörkläggs. Den reversibla övergången till ett färgat solfönster är baserad på en fasförändring av ultratunna perovskitlager.
I sitt transparenta tillstånd existerar perovskitkristaller i en kubisk struktur och är till stor del transparenta, medan de vid en temperatur på cirka 105 grader Celsius övergår till en mindre transparent, men fotovoltaiskt aktiv kristallstruktur. Denna blockerar ungefär två tredjedelar av synligt ljus och uppnår en effektivitet på sju procent. När den kyls ner till rumstemperatur och utsätts för viss fukt kan denna fasförändring reverseras, och fönstret blir transparent igen.
Lämplig för detta:
Termokroma egenskaper för klimatoptimerade byggnader
De termokroma egenskaperna hos perovskitbaserade fönster skulle kunna bidra avsevärt till byggnaders energieffektivitet. I likhet med fotokroma solglasögon kan dessa fönster ändra färg som svar på temperaturförändringar, där temperaturen – till skillnad från ljusintensiteten i solglasögon – är den avgörande faktorn. När temperaturen stiger blir den transparenta rutan gradvis gul, orange, röd eller brun. Ju varmare den blir, desto mörkare blir glaset, vilket kyler rummet automatiskt och utan behov av luftkonditionering.
Denna mekanism kan bidra avsevärt till att minska energiförbrukningen för uppvärmning och kylning. Med tanke på att uppvärmning och varmvatten står för 25 procent av koldioxidutsläppen i Österrike, och att en studie från Birminghams universitet förutspår att antalet kylenheter världen över kommer att fyrdubblas till 14 miljarder år 2050, skulle sådana smarta fönsterlösningar kunna ge ett betydande bidrag till klimatskyddet.
Utmaningar och lösningar
Trots sina lovande egenskaper står perovskitsolceller inför flera utmaningar som hittills har begränsat deras utbredda kommersiella tillämpning. Ett stort problem är deras stabilitet under verkliga miljöförhållanden. Perovskitkristaller tenderar att växa oordnade och defekta, vilket kan leda till stabilitetsproblem. De uppnår ännu inte samma livslängd som kiselsolceller och är känsliga för fuktighet, ljus och värme. En betydande nackdel är deras lägre väderbeständighet, eftersom materialet kan brytas ner under extrema väderförhållanden.
Forskningen har dock redan gjort betydande framsteg när det gäller att övervinna dessa utmaningar. Panasonic har till exempel lyckats producera en kemiskt mer stabil variant av materialet och skydda det från väder och vind genom användning av dubbelglas. Det belgiska forskningsinstitutet Imec, en partner i forskningskonsortiet EnergyVille, har gjort ett genombrott inom forskning om perovskitsolmoduler . I en tvåårig utomhusstudie på Cypern demonstrerades den långsiktiga stabiliteten hos mini-perovskitmoduler, som uppnådde en imponerande energieffektivitet på 78 procent efter ett år utomhus – ett värde som nuvarande perovskitsolmoduler ofta bara kan bibehålla i några veckor.
Även inom återvinning har framsteg gjorts. Forskare från Sverige har utvecklat en metod för fullständig och miljövänlig återvinning av perovskitsolceller. Istället för att använda den giftiga dimetylformamiden för att demontera cellerna, som tidigare gjorts, använder teamet vatten som lösningsmedel för att bryta ner de nedbrutna perovskiterna. Alla komponenter kan sedan återanvändas i en ny perovskitsolcell utan att det påverkar prestandan – den återvunna solcellen har samma effektivitet som originalet.
Specifika utmaningar kvarstår för termokroma solfönster. Den relativt höga fasövergångstemperaturen på drygt 100 grader Celsius skulle behöva minskas ytterligare för praktiska tillämpningar. Dessutom skulle den fuktighet som krävs för reversibel omkoppling kunna försämra perovskitlagrens långsiktiga stabilitet. Men eftersom perovskitmaterialens sammansättning kan variera avsevärt skulle ytterligare studier kunna identifiera materialblandningar utan dessa nackdelar och därmed ytterligare öka effektiviteten.
Marknadspotential och framtidsutsikter
Kombinationen av flexibilitet, kostnadsfördelar och enastående effektivitet gör perovskitsolceller till en lovande teknik för energiomställningen. Marknadsforskare på IDTechEx förutspår att perovskitmarknaden för solceller kommer att nå en årlig försäljningsvolym på nästan 12 miljarder USD år 2035. Denna teknik skulle kunna ersätta kiselbaserade moduler som den dominerande solcellstekniken i framtiden.
Kombinationen av perovskit och kisel i tandemceller verkar särskilt lovande och kan potentiellt uppnå effektivitet på upp till 43 procent – en betydande förbättring jämfört med rena kiselmoduler. Perovskitmaterial kan specifikt anpassas för att effektivt utnyttja olika våglängder av solljus: Medan perovskit absorberar kortvågigt (blått) ljus bättre, utmärker sig kisel i det långvågiga (röda) området.
Transparenta perovskitsolceller öppnar helt nya perspektiv för byggnadsintegrerade solceller. För att ersätta passiva fönster med kraftgenererande fönster så snabbt som möjligt arbetar forskare med att optimera prestandan hos dessa tekniker och påskynda marknadsberedskapen för transparenta solceller. Om de återstående utmaningarna gällande stabilitet och hållbarhet kan övervinnas, skulle perovskitbaserade solfönster kunna ge ett betydande bidrag till decentraliserad energiproduktion i stadsområden inom en snar framtid.
Stadens energiomställning: Kraftgenererande fönster med perovskitteknik
Perovskitsolceller, särskilt deras transparenta versioner för fönsterapplikationer , representerar en lovande teknik för framtidens solceller. Med sin kombination av hög effektivitet, transparens, låga tillverkningskostnader och flexibilitet erbjuder de betydande fördelar jämfört med konventionella kiselsolceller. Möjligheten att omvandla byggnadsfasader och fönster till kraftgeneratorer utan att kompromissa med deras primära funktion skulle kunna ge ett avgörande bidrag till energiomställningen i stadsområden.
De senaste framstegen när det gäller att förbättra stabiliteten och livslängden hos dessa celler under verkliga miljöförhållanden är uppmuntrande och banar väg för bredare kommersiell tillämpning. De termokroma egenskaperna hos vissa perovskitbaserade fönster verkar särskilt innovativa, eftersom de inte bara kan generera elektricitet utan också bidra till byggnaders energieffektivitet genom att justera deras transparens.
Även om vissa utmaningar kvarstår, tyder den snabba utvecklingen av perovskitteknik under senare år på att transparenta, högeffektiva solceller snart kan spela en betydande roll inom arkitektur och energiförsörjning. Denna innovativa teknik skulle kunna förändra framtidens byggande i grunden och skapa byggnader vars fönster och fasader inte bara är estetiskt tilltalande utan också aktivt bidrar till energiproduktion.
Lämplig för detta:
Din globala partner för marknadsföring och affärsutveckling
☑️ Vårt affärsspråk är engelska eller tyska
☑️ NYTT: Korrespondens på ditt modersmål!
Konrad Wolfenstein
Jag och mitt team står gärna till er förfogande som er personliga rådgivare.
Du kan kontakta mig genom att fylla i kontaktformuläret här eller helt enkelt ringa mig på +49 89 89 674 804 ( München) . Min e-postadress är: [email protected]
Jag ser fram emot vårt gemensamma projekt.
