Átlátszó Fotovoltaikus Panelek

Az átlátszó napelemek innovatív megoldást jelentenek a megújuló energia területén, lehetővé téve az elektromos energia előállítását a látható fény áteresztése mellett, ami széles alkalmazási lehetőségeket nyit meg az építőiparban, az építészetben és a szórakoztató elektronikában.

Szerves fotovoltaikus cellák technológiája

Szerves fotovoltaikus cellák (OPV) szénatomot tartalmazó vegyületekből épülnek fel, polimereket és kis szerves molekulákat használnak, amelyek képesek elnyelni a napfényt és vezetni az elektromos energiát. Egy tipikus szerves cella szerkezete elektródák (beleértve egy átlátszó elektródát is) közé helyezett rétegekből áll, ahol a kulcsfontosságú szerepet az aktív réteg játssza, amely donor és akceptor elektron vegyületek keveréke. A gyártási folyamat magában foglalja az elektronokat adó és fogadó molekulák oldószerrel való összekeverését, vékony aktív réteg létrehozását és az elektródák felgőzölését, amelyek közül a katód általában alumínium réteg.

Az OPV cellákat számos előny jellemzi: rugalmasak, félig átlátszóak, könnyűek és akár 1000-szer vékonyabb fényelnyelő réteget tartalmazhatnak, mint a szilícium cellák. Ezen előnyök ellenére a technológia kihívásokkal küzd az alacsony hatékonyság, a kis üzembiztonság és a rövid élettartam miatt, főként a nedvesség, az oxigén és a napfény hatására bekövetkező degradáció miatt. A kutatások ezen paraméterek javítására összpontosítanak, és a legújabb eredmények lehetővé tették a közel 20%-os energiaátalakítást. A tudósok azon dolgoznak, hogy megértsék a töltések szállítását ezekben a cellákban, és felfedezték, hogy az ezért a folyamatért felelős állapotok sűrűsége összetettebb, mint korábban gondolták.

Alkalmazások épületek homlokzatain

Az átlátszó napelemek különösen ígéretes alkalmazást találnak az épületbe integrált fotovoltaikus rendszerekben (BIPV), ahol zökkenőmentesen beépülnek olyan szerkezeti elemekbe, mint a homlokzatok, tetők vagy ablakok. Ez a technológia kettős funkciót tölt be – integráns részét képezi az épület burkolatának, miközben a napenergiát elektromos energiává alakítja. Becslések szerint csak az Egyesült Államokban körülbelül 7 milliárd négyzetméter üvegfelület kihasználására van lehetőség, a lakóházak ablakaitól a felhőkarcolók homlokzatáig, amelyeket átlátszó fotovoltaikus cellákkal lehetne befedni.

A technológia gyakorlati alkalmazásai a következők:

• Integráció az épületek homlokzataiba anélkül, hogy negatívan befolyásolná azok esztétikáját.
• Használat üvegházakban, ahol a panelek nemcsak energiát biztosítanak a fűtéshez és a világításhoz, hanem csökkentik az energiaköltségeket is (egy német projektben körülbelül 20%-kal).
• Szerelés ablakokra, üvegtetőkre és homlokzatokra, ahol a hagyományos, nem átlátszó panelek nem alkalmazhatók.
• Implementáció felülvilágítókban, ahol a természetes fény elengedhetetlen, miközben az energiatermelési funkció is megmarad.

A félig átlátszó panelek hatékonysága

A félig átlátszó fotovoltaikus panelek hatékonysága kompromisszum a fényáteresztés és az energiahatékonyság között. A szabványos monokristályos panelekkel ellentétben, amelyek 19-24%-os hatékonyságot érnek el, a félig átlátszó modulokat általában valamivel alacsonyabb hatékonyság jellemzi, mivel képesek a napfény egy részét átereszteni. A svájci CLI400M10 modell, amely 108 TOPCon monokristályos cellát használ, példa egy fejlett BIPV (Building Integrated Photovoltaics) technológiára, amely a félig átlátszó szerkezet ellenére is megőrzi a magas hatékonyságot.

A félig átlátszó panelek hatékonyságát befolyásoló kulcsfontosságú paraméterek:

• Cellagyártási technológia - a legmagasabb hatékonyságot a monokristályos megoldások kínálják.
• Éghajlati viszonyok - a napsugárzás és a hőmérséklet közvetlenül befolyásolják az energiatermelést.
• Tartósság - a kiváló minőségű félig átlátszó panelek 30 év használat után is megőrzik az eredeti teljesítményük akár 88%-át.
• Tájolás és dőlésszög - a megfelelő szerelés jelentősen növelheti a hatékonyságot, míg a megfelelően telepített 1 kWp névleges teljesítményű rendszer Magyarországon évente körülbelül 1000 kWh-t termel.

Növények Növekedésének Optimalizálása

A félig átlátszó fotovoltaikus panelek egyedi előnyöket kínálnak az épületekben lévő növények számára, különösen az üvegházakban. A North Carolina State University kutatásai kimutatták, hogy a szerves napelemek (ST-OSC) alatt termesztett saláta nem mutatott jelentős különbségeket a kulcsfontosságú paraméterekben, mint például az antioxidáns szint, a CO₂-elnyelés, a méret és a súly, a standard körülmények között termesztett növényekhez képest. Ennek az az oka, hogy ezek a speciális panelek főként olyan hullámhosszúságú fényt nyelnek el, amelyet a növények nem használnak fel a fotoszintézis során.

A fejlett agrofotovoltaikus rendszerek tovább optimalizálják a növények növekedését a következők révén:

• Az UV-sugárzás átalakítása vörös spektrummá, amely a nanotechnológia alkalmazásának köszönhetően kedvezőbb a fotoszintézis számára.
• Kedvező mikroklíma létrehozása részleges árnyékolással, amely csökkenti a növények hőstresszét.
• A hőmérséklet szabályozása az üvegházakban, ami kiküszöböli a további fűtés vagy hűtés szükségességét.
• A növényi biomassza termelésének növelése akár 50%-kal a panelek megfelelő elhelyezésével.

Fejlett Félvezető Anyagok

Az átlátszó fotovoltaikus panelek innovatív anyagokat és technológiákat használnak, amelyek lehetővé teszik számukra, hogy szelektíven elnyeljék a szabad szemmel nem látható hullámhosszúságú fényt, miközben áteresztik a látható fényt. A kulcsfontosságú anyagok, amelyeket ezekben a szerkezetekben használnak, az indium-ón-oxid (ITO), volfrám-diszulfid és szerves sók, amelyek elnyelik az ultraibolya és az infravörös sugárzást. A Michigan State University kutatói 2014-ben fejlesztették ki az első teljesen átlátszó cellákat, szerves vegyületek felhasználásával a nem látható hullámhosszúságok elnyelésére, ami lehetővé tette, hogy az üveg tipikus ablaküvegként működjön, miközben energiát termel.

Technológiailag az átlátszó panelek több típusra oszthatók:

• Perovszkit napelemek széles tiltott sávval, hatékony UV-elnyelőként működnek.
• Színezékérzékeny napelemek közeli infravörös (NIR) sugárzást nyelnek el.
• Szerves fotovoltaikus cellák (OPV) szénvegyületek felhasználásával, rugalmasságot és alacsonyabb gyártási költséget kínálnak.
• Tandem rendszerek különböző technológiákat kombinálnak, és akár 14%-os energiaátalakítási hatékonyságot (PCE) érnek el, átlagosan 55% feletti látható fényáteresztés (AVT) mellett.

A terület legújabb eredményei lehetővé teszik olyan cellák létrehozását, amelyek átlátszósága eléri a 80%-ot, hatékonysága pedig akár 8% is lehet, ami vizuálisan egy kétrétegű ablakra emlékeztet. Bár az átlátszó panelek jelenlegi teljesítménye alacsonyabb, mint a hagyományos szilícium megoldásoké, alkalmazási potenciáljuk és a folyamatban lévő kutatások e technológia jelentős fejlődését vetítik előre a következő években.