Läpinäkyvät aurinkopaneelit

Läpinäkyvät aurinkopaneelit ovat innovatiivinen ratkaisu uusiutuvan energian alalla, mahdollistaen sähkön tuottamisen samalla kun ne päästävät läpi näkyvää valoa, mikä avaa laajan kirjon sovelluksia rakentamisessa, arkkitehtuurissa ja kulutuselektroniikassa.

Orgaanisten aurinkokennojen teknologia

Orgaaniset aurinkokennot (OPV) ovat laitteita, jotka on rakennettu hiiliatomeja sisältävistä yhdisteistä, käyttäen polymeerejä ja pieniä orgaanisia molekyylejä, jotka pystyvät absorboimaan auringon säteilyä ja johtamaan sähköä. Tyypillisen orgaanisen kennon rakenne koostuu kerroksista, jotka on sijoitettu elektrodien väliin (joista yksi on läpinäkyvä), jossa avainasemassa on aktiivinen kerros, joka on seos luovuttaja- ja vastaanottajamolekyylejä. Valmistusprosessi sisältää elektroneja luovuttavien ja vastaanottavien molekyylien sekoittamisen liuottimen kanssa, ohuen aktiivisen kerroksen muodostamisen ja elektrodien höyrystämisen, joista katodi on yleensä alumiinikerros.

OPV-kennoille on ominaista lukuisat edut: ne ovat joustavia, puoliläpinäkyviä, kevyitä ja voivat sisältää jopa 1000 kertaa ohuemman valoa absorboivan kerroksen kuin piikennot. Näistä eduista huolimatta teknologia kamppailee haasteiden kanssa, kuten alhainen hyötysuhde, heikko toimintavakaus ja lyhyt käyttöikä, pääasiassa kosteuden, hapen ja auringonvalon aiheuttaman hajoamisen vuoksi. Tutkimus keskittyy näiden parametrien parantamiseen, ja uusimmat saavutukset ovat mahdollistaneet energian muuntamisen lähes 20%. Tutkijat työskentelevät ymmärtääkseen varausten kuljetusta näissä kennoissa ja ovat havainneet, että tästä prosessista vastuussa oleva tilojen tiheys on monimutkaisempi kuin aiemmin luultiin.

Sovellukset rakennusten julkisivuissa

Läpinäkyvät aurinkopaneelit löytävät erityisen lupaavia sovelluksia rakennukseen integroidussa aurinkosähkössä (BIPV), jossa ne on saumattomasti sisällytetty rakenteellisiin elementteihin, kuten julkisivuihin, kattoihin tai ikkunoihin. Tämä teknologia täyttää kaksoistoiminnon – se on olennainen osa rakennuksen kuorta ja muuntaa samalla auringon energiaa sähköksi. Arvioiden mukaan pelkästään Yhdysvalloissa on potentiaalia hyödyntää noin 7 miljardia neliömetriä lasipintoja, kotitalouksien ikkunoista pilvenpiirtäjien julkisivuihin, jotka voitaisiin hyödyntää läpinäkyvillä aurinkokennoilla.

Tämän teknologian käytännön sovelluksia ovat:

• Integrointi rakennusten julkisivuihin ilman negatiivista vaikutusta niiden estetiikkaan.
• Käyttö kasvihuoneissa, joissa paneelit eivät ainoastaan ​​tarjoa energiaa lämmitykseen ja valaistukseen, vaan myös alentavat energiakustannuksia (yhdessä saksalaisessa projektissa noin 20%).
• Asennus ikkunoihin, lasikattoihin ja julkisivuihin, joissa perinteisiä läpinäkymättömiä paneeleja ei voitaisi käyttää.
• Toteutus kattoikkunoissa, joissa luonnonvalo on välttämätöntä, samalla kun säilytetään energiantuotantotoiminto.

Puoliläpinäkyvien paneelien tehokkuus

Puoliläpinäkyvien aurinkopaneelien tehokkuus on kompromissi valonläpäisyn ja energiatehokkuuden välillä. Toisin kuin tavalliset monokiteiset paneelit, joiden hyötysuhde on 19–24 %, puoliläpinäkyville moduuleille on yleensä ominaista hieman alhaisempi hyötysuhde, koska ne pystyvät päästämään läpi osan auringon säteilystä. Sveitsiläinen CLI400M10-malli, joka käyttää 108 monokiteistä TOPCon-kennoa, on esimerkki edistyneestä BIPV-tekniikasta (Building Integrated Photovoltaics), joka säilyttää korkean suorituskyvyn puoliläpinäkyvästä rakenteesta huolimatta.

Avainparametrit, jotka vaikuttavat puoliläpinäkyvien paneelien tehokkuuteen:

• Kennon valmistustekniikka - korkeimman hyötysuhteen tarjoavat monokiteiset ratkaisut.
• Sääolosuhteet - auringonpaiste ja lämpötila vaikuttavat suoraan energiantuottoon.
• Kestävyys - korkealaatuiset puoliläpinäkyvät paneelit säilyttävät jopa 88 % alkuperäisestä suorituskyvystään 30 vuoden käytön jälkeen.
• Suunta ja kallistuskulma - oikea asennus voi merkittävästi lisätä tehokkuutta, ja oikein asennetun 1 kWp nimellistehon pitäisi tuottaa Suomessa noin 1000 kWh vuodessa.

Kasvien kasvun optimointi

Puoliläpinäkyvät aurinkopaneelit tarjoavat ainutlaatuisia etuja kasveille rakennuksissa, erityisesti kasvihuoneissa. Pohjois-Carolinan osavaltionyliopiston tutkimukset ovat osoittaneet, että orgaanisten aurinkokennojen (ST-OSC) alla kasvatetussa salaatissa ei ollut merkittäviä eroja keskeisissä parametreissa, kuten antioksidanttien tasossa, CO₂:n imeytymisessä, koossa ja painossa verrattuna tavallisissa olosuhteissa kasvatettuihin kasveihin. Tämä johtuu siitä, että nämä erikoispaneelit absorboivat pääasiassa valon aallonpituuksia, joita kasvit eivät käytä fotosynteesissä.

Kehittyneet maatalousaurinkosähköjärjestelmät optimoivat lisäksi kasvien kasvua:

• Muuntamalla UV-säteilyä punaisen spektrin säteilyksi, mikä on hyödyllisempää fotosynteesille nanoteknologian avulla.
• Luomalla suotuisan mikroilmaston osittaisella varjostuksella, mikä vähentää kasvien lämpöstressiä.
• Säätelemällä lämpötilaa kasvihuoneissa, mikä eliminoi lisälämmityksen tai -jäähdytyksen tarpeen.
• Lisäämällä kasvien biomassantuotantoa jopa 50% paneelien oikealla sijoittelulla.

Kehittyneet puolijohdemateriaalit

Läpinäkyvät aurinkopaneelit käyttävät innovatiivisia materiaaleja ja teknologioita, jotka mahdollistavat niiden selektiivisen absorboinnin ihmissilmälle näkymättömiä valon aallonpituuksia, samalla kun ne päästävät läpi näkyvää valoa. Tärkeimmät näissä rakenteissa käytetyt materiaalit ovat indiumtinaoksidi (ITO), volframidisulfidi ja orgaaniset suolat, jotka absorboivat ultravioletti- ja infrapunasäteilyä. Michigan State Universityn tutkijat kehittivät ensimmäiset täysin läpinäkyvät kennot vuonna 2014 käyttämällä orgaanisia yhdisteitä näkymättömien aallonpituuksien absorboimiseen, mikä mahdollisti lasin toimimisen tyypillisenä ikkunana samalla kun se tuotti energiaa.

Teknologisesti läpinäkyvät paneelit jaetaan useisiin tyyppeihin:

• Perovskiittiaurinkokennot leveällä kielletyllä vyöhykkeellä, jotka toimivat tehokkaina UV-absorboijina.
• Väriaineherkistetyt aurinkokennot absorboivat lähi-infrapunaa (NIR).
• Orgaaniset aurinkokennot (OPV) käyttävät hiiliyhdisteitä, jotka tarjoavat joustavuutta ja alhaisemmat tuotantokustannukset.
• Tandem-järjestelmät yhdistävät eri teknologioita ja saavuttavat energian muuntamisen hyötysuhteen (PCE) jopa 14% keskimääräisellä näkyvän valon läpäisyllä (AVT) yli 55%.

Alan uusimmat saavutukset mahdollistavat kennojen luomisen, joiden läpinäkyvyys on jopa 80% hyötysuhteen ollessa jopa 8%, mikä visuaalisesti muistuttaa ikkunaa, jossa on kaksinkertainen lasi. Vaikka läpinäkyvien paneelien nykyinen hyötysuhde on alhaisempi kuin perinteisten piipohjaisten ratkaisujen, niiden sovelluspotentiaali ja jatkuva tutkimustyö viittaavat tämän teknologian merkittävään kehitykseen lähivuosina.