Transparante Fotovoltaïsche Panelen

Transparante zonnepanelen vormen een innovatieve oplossing op het gebied van hernieuwbare energie, waardoor het mogelijk is om elektriciteit op te wekken terwijl zichtbaar licht wordt doorgelaten. Dit opent een breed scala aan toepassingen in de bouw, architectuur en consumentenelektronica.

Technologie van organische fotovoltaïsche cellen

Organische fotovoltaïsche cellen (OPV) zijn apparaten die zijn opgebouwd uit verbindingen die koolstofatomen bevatten, waarbij polymeren en kleine organische moleculen worden gebruikt die in staat zijn om zonnestraling te absorberen en elektrische energie te geleiden. De structuur van een typische organische cel bestaat uit lagen die tussen elektroden zijn geplaatst (waarvan er één transparant is), waarbij de actieve laag, een mengsel van donor- en acceptorverbindingen van elektronen, een cruciale rol speelt. Het productieproces omvat het mengen van moleculen die elektronen afgeven en accepteren met een oplosmiddel, het creëren van een dunne actieve laag en het verdampen van elektroden, waarbij de kathode meestal een aluminiumlaag is.

OPV-cellen onderscheiden zich door tal van voordelen: ze zijn flexibel, halfdoorzichtig, licht en kunnen een tot 1000 keer dunnere lichtabsorberende laag bevatten dan siliciumcellen. Ondanks deze voordelen kampt de technologie met uitdagingen in de vorm van een lage efficiëntie, een lage werkstabiliteit en een korte levensduur, voornamelijk vanwege de gevoeligheid voor degradatie onder invloed van vocht, zuurstof en zonlicht. Onderzoek richt zich op het verbeteren van deze parameters en de nieuwste ontwikkelingen hebben een energieomzetting van bijna 20%. Wetenschappers werken aan het begrijpen van het transport van ladingen in deze cellen en ontdekken dat de dichtheid van toestanden die verantwoordelijk zijn voor dit proces complexer is dan eerder werd gedacht.

Toepassingen in gebouwgevels

Transparante zonnepanelen vinden een bijzonder veelbelovende toepassing in fotovoltaïsche integratie in gebouwen (BIPV), waar ze naadloos worden opgenomen in structurele elementen zoals gevels, daken of ramen. Deze technologie vervult een dubbele functie - het is een integraal onderdeel van de gebouwbekleding en zet tegelijkertijd zonne-energie om in elektriciteit. Geschat wordt dat alleen al in de Verenigde Staten een potentieel is voor het gebruik van ongeveer 7 miljard vierkante meter glazen oppervlak, van ramen van huizen tot gevels van wolkenkrabbers, die zouden kunnen worden gebruikt door transparante fotovoltaïsche cellen.

Praktische toepassingen van deze technologie omvatten:

• Integratie met gebouwgevels zonder negatieve invloed op hun esthetiek.
• Gebruik in kassen, waar panelen niet alleen energie leveren voor verwarming en verlichting, maar ook de energiekosten verlagen (in een Duits project met ongeveer 20%).
• Installatie op ramen, glazen daken en gevels, waar traditionele ondoorzichtige panelen niet zouden kunnen worden gebruikt.
• Implementatie in dakramen, waar natuurlijk licht essentieel is, met behoud van de functie van energieopwekking.

Efficiëntie van semi-transparante panelen

De efficiëntie van semi-transparante fotovoltaïsche panelen is een compromis tussen lichtdoorlatendheid en energie-efficiëntie. In tegenstelling tot standaard monokristallijne panelen, die een efficiëntie van 19-24% bereiken, hebben semi-transparante modules meestal een iets lagere efficiëntie vanwege hun vermogen om een deel van de zonnestraling door te laten. Het Zwitserse model CLI400M10, dat 108 monokristallijne TOPCon-cellen gebruikt, is een voorbeeld van geavanceerde BIPV-technologie (Building Integrated Photovoltaics) die een hoge efficiëntie behoudt ondanks de semi-transparante constructie.

Belangrijkste parameters die de efficiëntie van semi-transparante panelen beïnvloeden:

• Technologie van celproductie - monokristallijne oplossingen bieden de hoogste efficiëntie.
• Weersomstandigheden - zonnestraling en temperatuur hebben een directe invloed op de energieopbrengst.
• Duurzaamheid - hoogwaardige semi-transparante panelen behouden tot 88% van de oorspronkelijke prestaties na 30 jaar gebruik.
• Oriëntatie en hellingshoek - een correcte installatie kan de efficiëntie aanzienlijk verhogen, waarbij een correct geïnstalleerde 1 kWp nominaal vermogen in Nederland ongeveer 1000 kWh per jaar zou moeten genereren.

Optimalisatie van plantengroei

Semi-transparante fotovoltaïsche panelen bieden unieke voordelen voor planten in gebouwen, vooral in kassen. Onderzoek van de North Carolina State University heeft aangetoond dat sla die onder organische zonnecellen (ST-OSC) werd gekweekt geen significante verschillen vertoonde in belangrijke parameters, zoals het niveau van antioxidanten, CO₂-absorptie, grootte en gewicht in vergelijking met planten die onder standaardomstandigheden werden gekweekt. Dit komt omdat deze specialistische panelen voornamelijk golflengten van licht absorberen die niet door planten worden gebruikt in het fotosyntheseproces.

Geavanceerde agrofotovoltaïsche systemen optimaliseren de plantengroei verder door:

• Het omzetten van UV-straling in een rood spectrum, wat gunstiger is voor fotosynthese dankzij het gebruik van nanotechnologie.
• Het creëren van een gunstig microklimaat door gedeeltelijke schaduw, wat de hittestress van planten vermindert.
• Het reguleren van de temperatuur in kassen, wat de behoefte aan extra verwarming of koeling elimineert.
• Het verhogen van de productie van plantaardige biomassa met zelfs 50% bij een correcte plaatsing van de panelen.

Geavanceerde halfgeleidermaterialen

Transparante fotovoltaïsche panelen maken gebruik van innovatieve materialen en technologieën die hen in staat stellen selectief onzichtbare golflengten van licht te absorberen, terwijl zichtbaar licht wordt doorgelaten. De belangrijkste materialen die in deze constructies worden gebruikt zijn indiumtinoxide (ITO), wolfraamdisulfide en organische zouten, die ultraviolette en infrarode straling absorberen. Onderzoekers van de Michigan State University ontwikkelden in 2014 de eerste volledig transparante cellen met behulp van organische verbindingen om onzichtbare golflengten te absorberen, waardoor het glas kon functioneren als een typische ruit en tegelijkertijd energie kon produceren.

Technologisch gezien zijn transparante panelen onderverdeeld in verschillende types:

• Perovskiet zonnecellen met een brede bandgap, die werken als efficiënte UV-absorbeerders.
• Kleurstofgevoelige zonnecellen die nabij-infrarood (NIR) absorberen.
• Organische fotovoltaïsche cellen (OPV) die koolstofverbindingen gebruiken, wat flexibiliteit en lagere productiekosten biedt.
• Tandemsystemen die verschillende technologieën combineren en een energieomzettingsefficiëntie (PCE) tot 14% bereiken met een gemiddelde doorlaatbaarheid van zichtbaar licht (AVT) boven 55%.

De nieuwste ontwikkelingen op dit gebied maken het mogelijk om cellen te creëren met een transparantie tot 80% met een efficiëntie tot 8%, wat visueel lijkt op een raam met dubbel glas. Hoewel de huidige efficiëntie van transparante panelen lager is dan traditionele siliciumoplossingen, suggereren hun toepassingspotentieel en lopend onderzoek een aanzienlijke ontwikkeling van deze technologie in de komende jaren.