Läbipaistvad fotogalvaanilised paneelid

Läbipaistvad päikesepaneelid on uuenduslik lahendus taastuvenergia valdkonnas, võimaldades toota elektrienergiat, lastes samal ajal läbi nähtavat valgust, mis avab laia spektri rakendusi ehituses, arhitektuuris ja tarbeelektroonikas.

Orgaaniliste fotogalvaaniliste elementide tehnoloogia

Orgaanilised fotogalvaanilised elemendid (OPV) on seadmed, mis on ehitatud süsinikuaatomeid sisaldavatest ühenditest, kasutades polümeere ja väikeseid orgaanilisi molekule, mis on võimelised neelama päikesekiirgust ja juhtima elektrienergiat. Tüüpilise orgaanilise elemendi struktuur koosneb elektroodide vahele paigutatud kihtidest (sealhulgas üks läbipaistev), kus võtmerolli mängib aktiivne kiht, mis on doonor- ja aktseptorühendite segu. Tootmisprotsess hõlmab elektronide loovutavate ja vastuvõtvate molekulide segamist lahustiga, õhukese aktiivse kihi loomist ja elektroodide aurustamist, millest katood on tavaliselt alumiiniumikiht.

OPV elemente iseloomustavad mitmed eelised: need on paindlikud, poolläbipaistvad, kerged ja võivad sisaldada isegi 1000 korda õhemat valgust neelavat kihti kui ränielemendid. Vaatamata nendele eelistele seisab tehnoloogia silmitsi väljakutsetega madala efektiivsuse, väikese töökindluse ja lühikese eluea näol, peamiselt niiskuse, hapniku ja päikesevalguse mõjul lagunemise tõttu. Uuringud keskenduvad nende parameetrite parandamisele ning viimased saavutused on võimaldanud saavutada energia muundamise peaaegu 20%. Teadlased töötavad välja laengute transpordi mõistmist nendes elementides, avastades, et selle protsessi eest vastutav olekutihedus on keerulisem kui varem arvati.

Rakendused hoonete fassaadides

Läbipaistvad päikesepaneelid leiavad eriti paljulubava rakenduse hoonega integreeritud fotogalvaanikas (BIPV), kus need on sujuvalt integreeritud konstruktsioonielementidesse, nagu fassaadid, katused või aknad. See tehnoloogia täidab kahekordset funktsiooni – see on hoone katte lahutamatu osa, muutes samal ajal päikeseenergiat elektrienergiaks. Hinnanguliselt on ainuüksi Ameerika Ühendriikides potentsiaal kasutada umbes 7 miljardit ruutmeetrit klaaspindu, alates koduakendest kuni kõrghoonete fassaadideni, mida saaks kasutada läbipaistvate fotogalvaaniliste elementide abil.

Selle tehnoloogia praktilised rakendused hõlmavad:

• Integreerimist hoonete fassaadidega, ilma et see negatiivselt mõjutaks nende esteetikat.
• Kasutamist kasvuhoonetes, kus paneelid mitte ainult ei varusta energiat kütteks ja valgustuseks, vaid vähendavad ka energiakulusid (ühes Saksa projektis umbes 20%).
• Paigaldamist akendele, klaaskatustele ja fassaadidele, kus traditsioonilisi läbipaistmatuid paneele ei saaks kasutada.
• Rakendamist katuseakendes, kus on vaja loomulikku valgust, säilitades samal ajal energia tootmise funktsiooni.

Poolläbipaistvate paneelide efektiivsus

Poolläbipaistvate fotogalvaaniliste paneelide efektiivsus on kompromiss valguse läbilaskvuse ja energiatõhususe vahel. Erinevalt tavalistest monokristallilistest paneelidest, mille efektiivsus on 19–24%, on poolläbipaistvatel moodulitel tavaliselt veidi madalam efektiivsus, kuna need suudavad osa päikesekiirgust läbi lasta. Šveitsi mudel CLI400M10, mis kasutab 108 monokristallilist TOPCon elementi, on näide arenenud BIPV (Building Integrated Photovoltaics) tehnoloogiast, mis säilitab kõrge efektiivsuse vaatamata poolläbipaistvale konstruktsioonile.

Peamised parameetrid, mis mõjutavad poolläbipaistvate paneelide efektiivsust:

• Elementide tootmistehnoloogia - kõrgeimat efektiivsust pakuvad monokristallilised lahendused.
• Atmosfääritingimused - päikesekiirgus ja temperatuur mõjutavad otseselt energiatoodangut.
• Vastupidavus - kvaliteetsed poolläbipaistvad paneelid säilitavad kuni 88% esialgsest efektiivsusest pärast 30-aastast kasutamist.
• Orientatsioon ja kaldenurk - õige paigaldus võib oluliselt suurendada efektiivsust, kusjuures õigesti paigaldatud 1 kWp nimivõimsust peaks Eestis tootma umbes 1000 kWh aastas.

Taimede kasvu optimeerimine

Poolläbipaistvad fotogalvaanilised paneelid pakuvad ainulaadseid eeliseid taimedele hoonetes, eriti kasvuhoonetes. Põhja-Carolina osariigi ülikooli uuringud on näidanud, et orgaaniliste päikeseelementide (ST-OSC) all kasvatatud salatil ei olnud olulisi erinevusi peamistes parameetrites, nagu antioksüdantide tase, CO₂ imendumine, suurus ja kaal võrreldes tavalistes tingimustes kasvatatud taimedega. See on nii, kuna need spetsiaalsed paneelid neelavad peamiselt valguslaine pikkusi, mida taimed fotosünteesi protsessis ei kasuta.

Täiustatud agrofotogalvaanilised süsteemid optimeerivad lisaks taimede kasvu:

• UV-kiirguse muundamist punaseks spektriks, mis on fotosünteesiks kasulikum tänu nanotehnoloogia kasutamisele.
• Soodsa mikrokliima loomist osalise varjutuse kaudu, mis vähendab taimede kuumastressi.
• Temperatuuri reguleerimist kasvuhoonetes, mis välistab vajaduse täiendava kütte või jahutuse järele.
• Taimse biomassi tootmise suurendamist isegi 50% paneelide õige paigutuse korral.

Täiustatud pooljuhtmaterjalid

Läbipaistvad fotogalvaanilised paneelid kasutavad uuenduslikke materjale ja tehnoloogiaid, mis võimaldavad neil selektiivselt neelata inimestele nähtamatuid valguslaine pikkusi, lastes samal ajal läbi nähtavat valgust. Peamised materjalid, mida nendes konstruktsioonides kasutatakse, on indiumtinoksiid (ITO), volframdisulfiid ja orgaanilised soolad, mis neelavad ultraviolettkiirgust ja infrapunakiirgust. Michigani osariigi ülikooli teadlased töötasid 2014. aastal välja esimesed täielikult läbipaistvad elemendid, kasutades orgaanilisi ühendeid nähtamatute lainepikkuste neelamiseks, mis võimaldas klaasil toimida tavalise aknana, tootes samal ajal energiat.

Tehnoloogiliselt jagunevad läbipaistvad paneelid mitmeks tüübiks:

• Perovskiit-päikeseelemendid laia keelutsooniga, toimides tõhusate UV-absorberitena.
• Värvitundlikud päikeseelemendid neelavad lähiinfrapunast (NIR).
• Orgaanilised fotogalvaanilised elemendid (OPV) kasutavad süsinikuühendeid, pakkudes paindlikkust ja madalamat tootmiskulu.
• Tandemsüsteemid ühendavad erinevaid tehnoloogiaid, saavutades energia muundamise efektiivsuse (PCE) kuni 14% keskmise nähtava valguse läbilaskvuse (AVT) juures üle 55%.

Viimased saavutused selles valdkonnas võimaldavad luua elemente, mille läbipaistvus ulatub kuni 80% efektiivsusega kuni 8%, mis visuaalselt meenutab topeltklaasiga akent. Kuigi läbipaistvate paneelide praegune efektiivsus on madalam kui traditsioonilistel räni lahendustel, viitab nende rakenduspotentsiaal ja käimasolevad uuringud selle tehnoloogia märkimisväärsele arengule lähiaastatel.