Διαφανή φωτοβολταϊκά πάνελ

Τα διαφανή ηλιακά πάνελ αποτελούν μια καινοτόμο λύση στον τομέα της ανανεώσιμης ενέργειας, επιτρέποντας την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ενώ παράλληλα επιτρέπουν τη διέλευση του ορατού φωτός, γεγονός που ανοίγει ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών στις κατασκευές, την αρχιτεκτονική και τα ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης.

Τεχνολογία οργανικών φωτοβολταϊκών στοιχείων

Οργανικά φωτοβολταϊκά στοιχεία (OPV) είναι συσκευές κατασκευασμένες από ενώσεις που περιέχουν άτομα άνθρακα, χρησιμοποιώντας πολυμερή και μικρά οργανικά μόρια ικανά να απορροφούν την ηλιακή ακτινοβολία και να άγουν ηλεκτρική ενέργεια. Η δομή ενός τυπικού οργανικού στοιχείου αποτελείται από στρώματα τοποθετημένα μεταξύ των ηλεκτροδίων (συμπεριλαμβανομένου ενός διαφανούς), όπου καθοριστικό ρόλο παίζει το ενεργό στρώμα που είναι ένα μείγμα δοτικών και αποδεκτικών ηλεκτρονίων ενώσεων. Η διαδικασία παραγωγής περιλαμβάνει την ανάμειξη μορίων που δίνουν και δέχονται ηλεκτρόνια με διαλύτη, τη δημιουργία ενός λεπτού ενεργού στρώματος και την εξάτμιση των ηλεκτροδίων, εκ των οποίων η κάθοδος είναι συνήθως ένα στρώμα αλουμινίου.

Τα στοιχεία OPV διακρίνονται για πολυάριθμα πλεονεκτήματα: είναι εύκαμπτα, ημιδιαφανή, ελαφριά και μπορεί να περιέχουν ένα στρώμα απορρόφησης φωτός έως και 1000 φορές λεπτότερο από τα στοιχεία πυριτίου. Παρά τα πλεονεκτήματα αυτά, η τεχνολογία αντιμετωπίζει προκλήσεις με τη μορφή χαμηλής απόδοσης, μικρής σταθερότητας λειτουργίας και μικρής διάρκειας ζωής, κυρίως λόγω της ευαισθησίας στην υποβάθμιση υπό την επίδραση της υγρασίας, του οξυγόνου και του ηλιακού φωτός. Η έρευνα επικεντρώνεται στη βελτίωση αυτών των παραμέτρων και οι τελευταίες εξελίξεις επέτρεψαν τη λήψη μετατροπής ενέργειας σε επίπεδο σχεδόν 20%. Οι επιστήμονες εργάζονται για να κατανοήσουν τη μεταφορά φορτίων σε αυτά τα στοιχεία, ανακαλύπτοντας ότι η πυκνότητα των καταστάσεων που είναι υπεύθυνη για αυτή τη διαδικασία είναι πιο σύνθετη από ό, τι πιστεύαμε προηγουμένως.

Εφαρμογές σε προσόψεις κτιρίων

Τα διαφανή ηλιακά πάνελ βρίσκουν ιδιαίτερα ελπιδοφόρα εφαρμογή στα ενσωματωμένα φωτοβολταϊκά κτιρίων (BIPV), όπου ενσωματώνονται απρόσκοπτα σε δομικά στοιχεία όπως προσόψεις, στέγες ή παράθυρα. Αυτή η τεχνολογία εκπληρώνει μια διπλή λειτουργία - αποτελεί αναπόσπαστο μέρος της επένδυσης του κτιρίου, ενώ παράλληλα μετατρέπει την ηλιακή ενέργεια σε ηλεκτρική. Εκτιμάται ότι μόνο στις Ηνωμένες Πολιτείες υπάρχει η δυνατότητα χρήσης περίπου 7 δισεκατομμυρίων τετραγωνικών μέτρων γυάλινων επιφανειών, από οικιακά παράθυρα έως προσόψεις ουρανοξυστών, που θα μπορούσαν να αξιοποιηθούν από διαφανή φωτοβολταϊκά στοιχεία.

Οι πρακτικές εφαρμογές αυτής της τεχνολογίας περιλαμβάνουν:

• Ενσωμάτωση με τις προσόψεις των κτιρίων χωρίς αρνητική επίδραση στην αισθητική τους.
• Χρήση σε θερμοκήπια, όπου τα πάνελ όχι μόνο παρέχουν ενέργεια για θέρμανση και φωτισμό, αλλά μειώνουν επίσης τις ενεργειακές δαπάνες (σε ένα γερμανικό έργο κατά περίπου 20%).
• Τοποθέτηση σε παράθυρα, γυάλινες στέγες και προσόψεις, όπου τα παραδοσιακά αδιαφανή πάνελ δεν θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν.
• Εφαρμογή σε φεγγίτες, όπου το φυσικό φως είναι απαραίτητο, διατηρώντας παράλληλα τη λειτουργία παραγωγής ενέργειας.

Αποτελεσματικότητα ημιδιαφανών πάνελ

Η αποτελεσματικότητα των ημιδιαφανών φωτοβολταϊκών πάνελ είναι ένας συμβιβασμός μεταξύ της διαπερατότητας του φωτός και της ενεργειακής απόδοσης. Σε αντίθεση με τα τυπικά μονοκρυσταλλικά πάνελ, τα οποία επιτυγχάνουν απόδοση 19-24%, οι ημιδιαφανείς μονάδες συνήθως χαρακτηρίζονται από ελαφρώς χαμηλότερη απόδοση λόγω της ικανότητάς τους να αφήνουν να περάσει μέρος της ηλιακής ακτινοβολίας. Το ελβετικό μοντέλο CLI400M10, που χρησιμοποιεί 108 μονοκρυσταλλικά στοιχεία TOPCon, αποτελεί παράδειγμα προηγμένης τεχνολογίας BIPV (Building Integrated Photovoltaics), η οποία διατηρεί υψηλή απόδοση παρά την ημιδιαφανή κατασκευή.

Βασικές παράμετροι που επηρεάζουν την αποτελεσματικότητα των ημιδιαφανών πάνελ:

• Τεχνολογία παραγωγής στοιχείων - την υψηλότερη απόδοση προσφέρουν οι μονοκρυσταλλικές λύσεις.
• Καιρικές συνθήκες - η ηλιοφάνεια και η θερμοκρασία επηρεάζουν άμεσα την ενεργειακή απόδοση.
• Ανθεκτικότητα - τα υψηλής ποιότητας ημιδιαφανή πάνελ διατηρούν έως και το 88% της αρχικής απόδοσης μετά από 30 χρόνια χρήσης.
• Προσανατολισμός και γωνία κλίσης - η σωστή τοποθέτηση μπορεί να αυξήσει σημαντικά την αποτελεσματικότητα, με μια σωστά εγκατεστημένη ονομαστική ισχύς 1 kWp να αναμένεται να παράγει περίπου 1000 kWh ετησίως στην Πολωνία.

Βελτιστοποίηση της Ανάπτυξης των Φυτών

Τα ημιδιαφανή φωτοβολταϊκά πάνελ προσφέρουν μοναδικά οφέλη για τα φυτά στα κτίρια, ειδικά στα θερμοκήπια. Έρευνες από το Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Βόρειας Καρολίνας έδειξαν ότι η μαρούλι που καλλιεργείται κάτω από οργανικά ηλιακά στοιχεία (ST-OSC) δεν έδειξε σημαντικές διαφορές σε βασικές παραμέτρους, όπως το επίπεδο των αντιοξειδωτικών, η απορρόφηση CO₂, το μέγεθος και το βάρος σε σύγκριση με τα φυτά που καλλιεργούνται σε τυπικές συνθήκες. Αυτό συμβαίνει επειδή αυτά τα εξειδικευμένα πάνελ απορροφούν κυρίως μήκη κύματος φωτός που δεν χρησιμοποιούνται από τα φυτά στη διαδικασία της φωτοσύνθεσης.

Τα προηγμένα αγροβολταϊκά συστήματα βελτιστοποιούν περαιτέρω την ανάπτυξη των φυτών μέσω:

• Μετατροπής της υπεριώδους ακτινοβολίας σε κόκκινο φάσμα, πιο ευνοϊκό για τη φωτοσύνθεση χάρη στη χρήση της νανοτεχνολογίας.
• Δημιουργίας ενός ευνοϊκού μικροκλίματος μέσω της μερικής σκίασης, η οποία μειώνει τη θερμική καταπόνηση των φυτών.
• Ρύθμισης της θερμοκρασίας στα θερμοκήπια, γεγονός που εξαλείφει την ανάγκη για πρόσθετη θέρμανση ή ψύξη.
• Αύξησης της παραγωγής φυτικής βιομάζας ακόμη και κατά 50% με την κατάλληλη τοποθέτηση των πάνελ.

Προηγμένα Υλικά Ημιαγωγών

Τα διαφανή φωτοβολταϊκά πάνελ χρησιμοποιούν καινοτόμα υλικά και τεχνολογίες που τους επιτρέπουν να απορροφούν επιλεκτικά μήκη κύματος φωτός αόρατα στο ανθρώπινο μάτι, ενώ παράλληλα επιτρέπουν τη διέλευση του ορατού φωτός. Τα βασικά υλικά που χρησιμοποιούνται σε αυτές τις κατασκευές είναι οξείδιο του ινδίου και του κασσίτερου (ITO), δισουλφίδιο του βολφραμίου και οργανικά άλατα, τα οποία απορροφούν την υπεριώδη και την υπέρυθρη ακτινοβολία. Επιστήμονες από το Michigan State University ανέπτυξαν τα πρώτα πλήρως διαφανή στοιχεία το 2014, χρησιμοποιώντας οργανικές ενώσεις για την απορρόφηση αόρατων μηκών κύματος, γεγονός που επέτρεψε στο γυαλί να λειτουργήσει ως τυπικό τζάμι ενώ παράλληλα παράγει ενέργεια.

Τεχνολογικά, τα διαφανή πάνελ χωρίζονται σε διάφορους τύπους:

• Ηλιακά στοιχεία περοβσκίτη με ένα ευρύ φάσμα απαγορευμένων, που λειτουργούν ως αποτελεσματικοί απορροφητές UV.
• Ηλιακά στοιχεία χρωστικών απορροφούν κοντινή υπέρυθρη ακτινοβολία (NIR).
• Οργανικά φωτοβολταϊκά στοιχεία (OPV) χρησιμοποιώντας ενώσεις άνθρακα, προσφέροντας ευελιξία και χαμηλότερο κόστος παραγωγής.
• Συστήματα tandem που συνδυάζουν διάφορες τεχνολογίες, επιτυγχάνοντας απόδοση μετατροπής ενέργειας (PCE) έως 14% με μέση διαπερατότητα ορατού φωτός (AVT) άνω του 55%.

Οι τελευταίες εξελίξεις σε αυτόν τον τομέα επιτρέπουν τη δημιουργία στοιχείων με διαφάνεια που φτάνει το 80% με απόδοση έως 8%, που οπτικά μοιάζει με παράθυρο με διπλό τζάμι. Αν και η τρέχουσα απόδοση των διαφανών πάνελ είναι χαμηλότερη από τις παραδοσιακές λύσεις πυριτίου, το δυναμικό εφαρμογής τους και οι συνεχιζόμενες ερευνητικές εργασίες υποδηλώνουν σημαντική ανάπτυξη αυτής της τεχνολογίας τα επόμενα χρόνια.