Prosojni fotovoltaični paneli

Prosojni sončni paneli so inovativna rešitev na področju obnovljivih virov energije, ki omogočajo proizvodnjo električne energije ob hkratnem prepuščanju vidne svetlobe, kar odpira širok spekter uporabe v gradbeništvu, arhitekturi in potrošniški elektroniki.

Tehnologija organskih fotovoltaičnih celic

Organske fotovoltaične celice (OPV) so naprave, zgrajene iz spojin, ki vsebujejo atome ogljika, in uporabljajo polimere ter majhne organske molekule, ki lahko absorbirajo sončno sevanje in prevajajo električno energijo. Struktura tipične organske celice je sestavljena iz plasti, nameščenih med elektrodami (vključno z eno prozorno), kjer ima ključno vlogo aktivna plast, ki je mešanica donorskih in akceptorskih spojin elektronov. Postopek izdelave vključuje mešanje molekul, ki oddajajo in sprejemajo elektrone, s topilom, tvorbo tanke aktivne plasti in naparjevanje elektrod, pri čemer je katoda običajno plast aluminija.

Celice OPV se odlikujejo po številnih prednostih: so fleksibilne, polprozorne, lahke in lahko vsebujejo celo 1000-krat tanjšo plast, ki absorbira svetlobo, kot silicijeve celice. Kljub tem prednostim se tehnologija sooča z izzivi v obliki nizke učinkovitosti, majhne stabilnosti delovanja in kratke življenjske dobe, predvsem zaradi občutljivosti na degradacijo pod vplivom vlage, kisika in sončne svetlobe. Raziskave se osredotočajo na izboljšanje teh parametrov, najnovejši dosežki pa so omogočili pretvorbo energije na ravni skoraj 20 %. Znanstveniki si prizadevajo razumeti prenos nabojev v teh celicah in ugotavljajo, da je gostota stanj, odgovorna za ta proces, bolj zapletena, kot so mislili prej.

Uporaba v fasadah stavb

Prosojni sončni paneli najdejo še posebej obetavno uporabo v fotovoltaiki, integrirani v stavbe (BIPV), kjer so brez težav vključeni v konstrukcijske elemente, kot so fasade, strehe ali okna. Ta tehnologija izpolnjuje dvojno funkcijo – je sestavni del ohišja stavbe in hkrati pretvarja sončno energijo v električno. Ocenjuje se, da je samo v Združenih državah Amerike potencial za uporabo približno 7 milijard kvadratnih metrov steklenih površin, od domačih oken do fasad nebotičnikov, ki bi jih lahko izkoristile prosojne fotovoltaične celice.

Praktična uporaba te tehnologije vključuje:

• Integracijo s fasadami stavb brez negativnega vpliva na njihovo estetiko.
• Uporabo v rastlinjakih, kjer paneli ne le zagotavljajo energijo za ogrevanje in razsvetljavo, temveč tudi znižujejo stroške energije (v enem od nemških projektov za približno 20 %).
• Namestitev na okna, steklene strehe in fasade, kjer tradicionalnih neprozornih panelov ne bi bilo mogoče uporabiti.
• Implementacijo v strešnih oknih, kjer je naravna svetloba nujna, ob hkratnem ohranjanju funkcije proizvodnje energije.

Učinkovitost polprozornih panelov

Učinkovitost polprozornih fotovoltaičnih panelov je kompromis med prepustnostjo svetlobe in energetsko učinkovitostjo. Za razliko od standardnih monokristalnih panelov, ki dosegajo učinkovitost 19–24 %, so polprozorni moduli običajno nekoliko manj učinkoviti zaradi njihove sposobnosti prepuščanja dela sončnega sevanja. Švicarski model CLI400M10, ki uporablja 108 monokristalnih celic TOPCon, je primer napredne tehnologije BIPV (Building Integrated Photovoltaics), ki ohranja visoko učinkovitost kljub polprozorni konstrukciji.

Ključni parametri, ki vplivajo na učinkovitost polprozornih panelov:

• Tehnologija proizvodnje celic - najvišjo učinkovitost ponujajo monokristalne rešitve.
• Vremenske razmere - sončna svetloba in temperatura neposredno vplivata na energetski izkoristek.
• Trajnost - visokokakovostni polprozorni paneli ohranijo do 88 % prvotne učinkovitosti po 30 letih uporabe.
• Orientacija in kot naklona - pravilna namestitev lahko znatno poveča učinkovitost, pri čemer bi morala pravilno nameščena 1 kWp nominalne moči v Sloveniji proizvesti približno 1000 kWh letno.

Optimizacija rasti rastlin

Polprozorni fotovoltaični paneli ponujajo edinstvene koristi za rastline v stavbah, zlasti v rastlinjakih. Raziskave Univerze Severne Karoline so pokazale, da solata, gojena pod organskimi sončnimi celicami (ST-OSC), ni pokazala bistvenih razlik v ključnih parametrih, kot so raven antioksidantov, absorpcija CO₂, velikost in teža v primerjavi z rastlinami, gojenimi v standardnih pogojih. To je zato, ker ti specializirani paneli absorbirajo predvsem valovne dolžine svetlobe, ki jih rastline ne uporabljajo v procesu fotosinteze.

Napredni agrofotovoltaični sistemi dodatno optimizirajo rast rastlin z:

• Pretvorbo UV sevanja v rdeči spekter, ki je ugodnejši za fotosintezo, zahvaljujoč uporabi nanotehnologije.
• Ustvarjanjem ugodne mikroklime z delno zasenčenostjo, ki zmanjšuje toplotni stres rastlin.
• Regulacijo temperature v rastlinjakih, kar odpravlja potrebo po dodatnem ogrevanju ali hlajenju.
• Povečanjem proizvodnje rastlinske biomase celo za 50 % pri ustrezni razporeditvi panelov.

Napredni polprevodniški materiali

Prosojni fotovoltaični paneli uporabljajo inovativne materiale in tehnologije, ki jim omogočajo selektivno absorpcijo valovnih dolžin svetlobe, ki so nevidne človeškemu očesu, ob hkratnem prepuščanju vidne svetlobe. Ključni materiali, ki se uporabljajo v teh konstrukcijah, so indijev kositrov oksid (ITO), volframov disulfid in organske soli, ki absorbirajo ultravijolično in infrardeče sevanje. Znanstveniki z Univerze Michigan State so leta 2014 razvili prve popolnoma prosojne celice, ki uporabljajo organske spojine za absorpcijo nevidnih valovnih dolžin, kar je omogočilo, da steklo deluje kot tipično okno ob hkratni proizvodnji energije.

Tehnološko se prosojni paneli delijo na več vrst:

• Perovskitne sončne celice s širokim prepovedanim pasom, ki delujejo kot učinkoviti absorberji UV.
• Barvilne sončne celice absorbirajo bližnjo infrardečo svetlobo (NIR).
• Organske fotovoltaične celice (OPV) uporabljajo ogljikove spojine, ki ponujajo fleksibilnost in nižje stroške proizvodnje.
• Tandemski sistemi združujejo različne tehnologije in dosegajo učinkovitost pretvorbe energije (PCE) do 14 % pri povprečni prepustnosti vidne svetlobe (AVT) nad 55 %.

Najnovejši dosežki na tem področju omogočajo ustvarjanje celic s prosojnostjo do 80 % pri učinkovitosti do 8 %, kar vizualno spominja na okno z dvojno zasteklitvijo. Čeprav je trenutna učinkovitost prosojnih panelov nižja od tradicionalnih silicijevih rešitev, njihov aplikacijski potencial in tekoče raziskovalno delo nakazujeta na pomemben razvoj te tehnologije v prihodnjih letih.