Caurspīdīgi fotoelementu paneļi

Caurspīdīgi saules paneļi ir inovatīvs risinājums atjaunojamās enerģijas jomā, kas ļauj ražot elektroenerģiju, vienlaikus caurlaidot redzamo gaismu, kas paver plašu pielietojumu būvniecībā, arhitektūrā un sadzīves elektronikā.

Organisko fotoelementu elementu tehnoloģija

Organiskie fotoelementu elementi (OPV) ir ierīces, kas izgatavotas no savienojumiem, kas satur oglekļa atomus, izmantojot polimērus un mazas organiskas molekulas, kas spēj absorbēt saules starojumu un vadīt elektroenerģiju. Tipiska organiskā elementa struktūra sastāv no slāņiem, kas novietoti starp elektrodiem (ieskaitot vienu caurspīdīgu), kur galvenā loma ir aktīvajam slānim, kas ir elektronu donoru un akceptoru savienojumu maisījums. Ražošanas process ietver elektronu atdošanas un pieņemšanas molekulu sajaukšanu ar šķīdinātāju, plāna aktīvā slāņa izveidošanu un elektrodu iztvaicēšanu, no kuriem katods parasti ir alumīnija slānis.

OPV elementi izceļas ar daudzām priekšrocībām: tie ir elastīgi, daļēji caurspīdīgi, viegli un var saturēt pat 1000 reizes plānāku gaismu absorbējošu slāni nekā silīcija elementi. Neskatoties uz šīm priekšrocībām, tehnoloģija saskaras ar izaicinājumiem zemas efektivitātes, zemas darba stabilitātes un īsa kalpošanas laika dēļ, galvenokārt mitruma, skābekļa un saules gaismas ietekmes dēļ. Pētījumi koncentrējas uz šo parametru uzlabošanu, un jaunākie sasniegumi ir ļāvuši iegūt enerģijas pārveidošanu gandrīz 20%. Zinātnieki strādā pie lādiņu transportēšanas izpratnes šajos elementos, atklājot, ka par šo procesu atbildīgo stāvokļu blīvums ir sarežģītāks, nekā iepriekš tika uzskatīts.

Pielietojums ēku fasādēs

Caurspīdīgiem saules paneļiem ir īpaši daudzsološs pielietojums ar ēku integrētā fotoelementikā (BIPV), kur tie ir nemanāmi iekļauti konstrukcijas elementos, piemēram, fasādēs, jumtos vai logos. Šī tehnoloģija pilda dubultu funkciju – tā ir ēkas apšuvuma neatņemama sastāvdaļa, vienlaikus pārveidojot saules enerģiju elektrībā. Tiek lēsts, ka tikai Amerikas Savienotajās Valstīs ir potenciāls izmantot aptuveni 7 miljardus kvadrātmetru stikla virsmu, sākot no māju logiem līdz debesskrāpju fasādēm, kuras varētu izmantot caurspīdīgi fotoelementu elementi.

Šīs tehnoloģijas praktiskie pielietojumi ietver:

• Integrāciju ar ēku fasādēm, negatīvi neietekmējot to estētiku.
• Izmantošanu siltumnīcās, kur paneļi ne tikai nodrošina enerģiju apkurei un apgaismojumam, bet arī samazina enerģijas izdevumus (vienā no Vācijas projektiem par aptuveni 20%).
• Uzstādīšanu uz logiem, stikla jumtiem un fasādēm, kur tradicionālos necaurspīdīgos paneļus nevarētu izmantot.
• Ieviešanu jumta logos, kur dabiskā gaisma ir būtiska, vienlaikus saglabājot enerģijas ražošanas funkciju.

Daļēji caurspīdīgu paneļu efektivitāte

Daļēji caurspīdīgu fotoelementu paneļu efektivitāte ir kompromiss starp gaismas caurlaidību un energoefektivitāti. Atšķirībā no standarta monokristāliskiem paneļiem, kuru efektivitāte sasniedz 19–24%, daļēji caurspīdīgiem moduļiem parasti ir nedaudz zemāka efektivitāte, jo tie spēj caurlaidot daļu saules starojuma. Šveices modelis CLI400M10, kas izmanto 108 monokristāliskus TOPCon elementus, ir progresīvas BIPV (Building Integrated Photovoltaics) tehnoloģijas piemērs, kas saglabā augstu veiktspēju, neskatoties uz daļēji caurspīdīgo konstrukciju.

Galvenie parametri, kas ietekmē daļēji caurspīdīgu paneļu efektivitāti:

• Elementu ražošanas tehnoloģija - visaugstāko efektivitāti piedāvā monokristāliskie risinājumi.
• Atmosfēras apstākļi - saules starojums un temperatūra tieši ietekmē enerģijas ieguvi.
• Izturība - augstas kvalitātes daļēji caurspīdīgi paneļi saglabā līdz 88% no sākotnējās veiktspējas pēc 30 gadu lietošanas.
• Orientācija un slīpuma leņķis - pareiza uzstādīšana var ievērojami palielināt efektivitāti, un pareizi uzstādītai 1 kWp nominālajai jaudai Polijā vajadzētu saražot aptuveni 1000 kWh gadā.

Augu augšanas optimizācija

Daļēji caurspīdīgi fotoelementu paneļi piedāvā unikālas priekšrocības augiem ēkās, īpaši siltumnīcās. Ziemeļkarolīnas Valsts universitātes pētījumi ir parādījuši, ka salātiem, kas audzēti zem organiskiem saules elementiem (ST-OSC), nebija būtisku atšķirību galvenajos parametros, piemēram, antioksidantu līmenī, CO₂ absorbcijā, izmērā un svarā, salīdzinot ar augiem, kas audzēti standarta apstākļos. Tas ir tāpēc, ka šie specializētie paneļi galvenokārt absorbē gaismas viļņu garumus, ko augi neizmanto fotosintēzes procesā.

Uzlabotas agrofotovoltaiskās sistēmas papildus optimizē augu augšanu, izmantojot:

• UV starojuma pārveidošanu sarkanajā spektrā, kas ir labvēlīgāks fotosintēzei, pateicoties nanotehnoloģiju izmantošanai.
• Labvēlīga mikroklimata radīšanu, daļēji noēnojot, kas samazina augu termisko stresu.
• Temperatūras regulēšanu siltumnīcās, kas novērš nepieciešamību pēc papildu apkures vai dzesēšanas.
• Augu biomasas ražošanas palielināšanu pat par 50% ar atbilstošu paneļu izvietojumu.

Uzlaboti pusvadītāju materiāli

Caurspīdīgi fotoelementu paneļi izmanto inovatīvus materiālus un tehnoloģijas, kas ļauj tiem selektīvi absorbēt cilvēka acīm neredzamus gaismas viļņu garumus, vienlaikus caurlaidot redzamo gaismu. Galvenie materiāli, ko izmanto šajās konstrukcijās, ir indija alvas oksīds (ITO), volframa disulfīds un organiskie sāļi, kas absorbē ultravioleto un infrasarkano starojumu. Mičiganas Valsts universitātes zinātnieki 2014. gadā izstrādāja pirmos pilnībā caurspīdīgos elementus, izmantojot organiskus savienojumus, lai absorbētu neredzamus viļņu garumus, kas ļāva stiklam darboties kā tipiskam stiklam, vienlaikus ražojot enerģiju.

Tehnoloģiski caurspīdīgus paneļus iedala vairākos veidos:

• Perovskīta saules elementi ar plašu aizliegto joslu, kas darbojas kā efektīvi UV absorbētāji.
• Krāsvielu saules elementi absorbē tuvējo infrasarkano starojumu (NIR).
• Organiskie fotoelementu elementi (OPV) izmantojot oglekļa savienojumus, piedāvājot elastību un zemākas ražošanas izmaksas.
• Tandēma sistēmas apvienojot dažādas tehnoloģijas, sasniedzot enerģijas pārveidošanas efektivitāti (PCE) līdz 14% ar vidējo redzamās gaismas caurlaidību (AVT) virs 55%.

Jaunākie sasniegumi šajā jomā ļauj izveidot elementus ar caurspīdīgumu līdz 80% ar efektivitāti līdz 8%, kas vizuāli atgādina logu ar dubulto stiklu. Lai gan pašreizējā caurspīdīgo paneļu veiktspēja ir zemāka nekā tradicionālajiem silīcija risinājumiem, to pielietojuma potenciāls un notiekošais pētniecības darbs liecina par ievērojamu šīs tehnoloģijas attīstību tuvākajos gados.