Революційні прозорі сонячні батареї для вікон

Революційні прозорі сонячні панелі для вікон
Революційні прозорі сонячні батареї для вікон

Зростання продуктивності та падіння вартості сонячних батарей посприяли їх поступовому поширенню в приватному секторі. Панелі почали розміщувати на дачних ділянках, невеликих фермах та навіть вбудовувати в покрівельну черепицю. Але думка замінити ними вікна до недавнього часу здавалася неймовірною. Основна причина здається очевидною – для кращого поглинання світлового випромінювання поверхня «приймача» має бути якомога темнішою. Та вченим таки вдалося знайти рішення цього, здавалося б, неможливого завдання.

Перший крок – напівпрозорість

Перші спроби хоча б частково створити скляні дахи або вікна, що пропускають світло, призвели до проміжного результату – створення поверхонь з прозорих матеріалів зі звичайними фотоелектричними елементами у вигляді вставок. Перші серійні зразки подібної продукції почали з’являтися у 2010 роціта розділилися на дві категорії. Перша –комірки стандартної величини, розташовані рядами всередині суцільних скляних «сандвічів». Друга – частково затемнені полімерні листи з кремнієвими вкрапленнями мікроскопічних розмірів.

Через більш високу продуктивність поширення набув переважно перший варіант – популярні донині подвійні склопакети типу BIPV. Міцні полімерні батареї з вбудованими фотоелектричними осередками широко використовуються в якості автономного джерела екологічно чистої енергії під час створення напівпрозорого скління:

  • покрівель над басейнами, мансардами, атріумами та іншими зонами відпочинку;
  • дахів теплиць, тваринницьких ферм, зимових садів;
  • елітнихпентхаусів, торгових павільйонів;
  • вбудованих віконних прорізів будинків у жарких сонячних регіонах та ін.

За світлопропускною здатністю напівпрозорі сонячні панелі можна порівняти з частково прикритими жалюзі, а використання тільки частини поверхні для поглинання випромінювання компенсується збільшеною площею.

Особливо важлива здатність останніх поколінь BIPV до вилучення енергії з інфрачервоної та ультрафіолетової зони спектра. Крім того, часткова прозорість та розміщення окремих комірок не впритул один до одної зменшує перегрів батарей та дозволяє економити на встановленні систем додаткового охолодження.

Останньою перевагою BIPV у порівнянні з більшістю класичних сонячних батарей слід назвати відсутність алюмінієвої основи та обмежувальних рам. Подібне конструктивне рішення вперше дозволило усунути проблеми з температурними перепадами між склом і алюмінієвою підкладкою, а також збільшити термін служби склопакетів.

Примітка: скляно-полівінілові «сандвічі» мають динамічну міцність не менш ніж 5,4 кПа/м2. Завдяки такій несучій здатності панелі залишаться цілими та непошкодженими, якщо по ним ходитиме доросла людина.

Другий крок –прозорість на рідкоземельних елементах

Другим, і вже повноцінним кроком до прозорості стало створення у 2012 році фахівцями китайського університету «Чангунь» модулів, де кремнієві осередки розташовувалися тільки по периметру рамки. Внутрішня частина виготовляласяіз полімерного скла з мікроскопічними вкрапленнями рідкоземельного металу – ітербію. Він практично не змінює видимий рівень випромінювання, що надходить через фотоелектричні пластинки.

Використання наночастинок цього хімічного елемента було зумовлено його трьома унікальними оптико-фізичними властивостями:

  • при потраплянні в атом ітербію енергетичного довгохвильового «блакитного» фотона, поглинена енергія випускається з нього у вигляді двох короткохвильових «інфрачервоних» фотонів під зміненим кутом;
  • вектор руху нових частинок світла завжди спрямований у бік рамки, де кремній чи інший напівпровідниковий матеріал поглинає випромінювання;
  • оскільки при поглинанні «блакитного» фотона атом переходить в низькоенергетичний стан, пара «інфрачервоних» фотонів несе на 60% більше енергії, ніж первинна хвиля.

В результаті продуктивність генеруючих осередків збільшується в 1,6 раза, але їх мала площа та незначна кількість ітербію, вкрапленого в прозоре скло, на даному етапі дозволяє отримати ККД щодо повної інсоляції не більше 3-3,5%, з перспективою збільшення до 12% до 2022-2023 року.

Подібна ефективність здається незначною, але сонячні батареї даного типу мають велику кількість переваг:

  • обсяг ітербію в панелях не перевищує 8%, а малі розміри наночастинок роблять їх невидимими для людського ока;
  • цей рідкоземельний елемент недорогий – його ціна на світовому ринку становить близько $ 350 за кілограм, що на 15% дешевше індію і на 300%– германію;
  • технологічно процес виготовлення батарей не займає багато часу;
  • модулі-пластинки плоскі, легкі і дійсно прозорі, що дозволяє використовувати їх для скління майже будь-яких об’єктів без візуальних втрат кількості падаючого світла.

Третій крок – «уявна» механічна прозорість

Південнокорейські інженери знайшли оригінальне рішення, яке полягає у створенні «дірчастих» сонячних батарей.

Конструктивно панелі створюються із застосуванням звичайних класичних напівпровідникових осередків, але з тисячами просвердлених в строго розрахованому порядку та під різними кутами невеликих отворів. Діаметр «дірок» становить всього 100 мікронів, і кожна з них окремо людським оком не фіксується. Однак збоку модулі здаються прозорими та лише трохи затемненими.

Автори статті в науково-популярному виданні New Atlas додають, що станом на 2019 рік корейські фахівці домоглися ККД 12,3%, але обіцяють збільшити показник до 19-20% протягом найближчих 4-5 років.

Четвертий крок – прозорість на органічній люмінесцентній основі

Найкращого прогресу домоглася команда технологів під керівництвом Річарда Ланта, доцента знаменитого MIT – Мічиганського технологічного інституту. Колективу молодих фізиків та біохіміків вдалося створити технологію, яка дозволяєперетворитибудь-яку поверхню з натурального або полімерного скла в прозору фотоелектричну панель. Американці назвали свій стартап Ubiquitous Energy і зараз активно просувають його на світовий ринок.

Конструктивно «Всюдисуща енергія»– це перша повністю «прозора» технологія. В її основі лежить процес, віддалено схожий на широковідомий в природі фотосинтез, але з деякими відмінностями. Якщо рослини перетворять в енергію видиме світло, то клітини складних органічних солей професора Ланта поглинають випромінювання тільки невидимої частини спектра. Більш того – змінюючи склад органіки, можна змусити її генерувати електричний струм з фотонів будь-якої величини енергії та довжини хвилі. Такий склад отримав абревіатуру TLSC та назву«люмінесцентного геліо концентратора», запатентованого в Бюро патентів під абревіатурою DOI: 10.1002 / adom.201400103.

Більш відомі на сьогодні частково прозорі концентратори мають ККД 4-5%. Фотовольтаїка команди Річарда генерує світло з ефективністю 7,3%, а органічні та дуже дешеві солі можуть бути інтегровані в усі відомі типи прозорих панелей – екрани мобільних телефонів, електронні книжки, монітори ноутбуків, домашні вікна, скляні дахи та ін. Це як і раніше приблизно в 3 рази менше, ніж ККД класичних сонячних панелей, але сфера застосування та переваги таких «прозорих батарей майбутнього» майже безмежні.

Органічні сонячні панелі:

  • дешеві;
  • виготовляються швидко і на простому обладнанні;
  • інтегруються буквально в будь-який лист скла або пластику;
  • не містять екологічно шкідливих речовин, не вимагають дорогої та складної утилізації.

Перспективи та плани розвитку

Перспективні плани вчених, які займаються розробкою органічних та інших прозорих сонячних батарей, переслідують такі цілі.

  1. Довести ефективність своєї продукції до 12-15% найближчим часом.
  2. Впровадити «скляну фотовольтаїку» в усі сфери промислового та приватного життя.
  3. Зробити сонячну енергію максимально дешевою, доступною та безпечною.

Революційні прозорі сонячні панелі для вікон існують вже сьогодні та справді є джерелом Ubiquitous Energy – всюдисущої енергії. Важливим моментом можна назвати їх здатність працювати вночі, оскільки першоджерелом поглинання є не видиме, а теплове випромінювання, яке посилюється використанням матеріалів з тривалим люмінесцентним ефектом.

Тонкоплівкові панелі First Solar – ідеальне рішення нинішнього дня

Поки прозорі геліо батареї проходять стадії становлення та пошуку нових вдалих способів збільшити ККД, ринок швидко захоплюють тонкоплівкові панелі на основі рідкоземельних елементів. Найбільш вигідними є модулі, де напівпровідникомслугує телурид кадмію CdTe – значно дешевший, ніж сульфід міді/індію/галію CIGS, і на 20% ефективніший, ніж кремній Mono-Si і Poli-Si в кліматичних умовах середньої смуги.

В Україні офіційним представником світового лідера з виробництва тонкоплівкових гібридів CdTe, концерну First Solar, є українська компанія Green Tech Trade. Відповіді на всі питання Ви знайдете на відповідних тематичних сторінках сайту або зв’язавшись за телефонами «гарячої лінії» з нашими менеджерами.

Будівництво сонячних
електростанцій "під ключ"

Готові інвестиційні проекти