Νέα τεχνολογία μετατρέπει τα τζάμια των κτηρίων σε γεννήτριες ενέργειας

Σύνοψη

• Ερευνητές του Nanyang Technological University (NTU) κατασκεύασαν ηλιακά κύτταρα περοβσκίτη περίπου 10.000 φορές πιο λεπτά από την ανθρώπινη τρίχα.
• Η κατασκευή πραγματοποιείται με τη βιομηχανικά συμβατή μέθοδο της θερμικής εξάτμισης (thermal evaporation) σε περιβάλλον κενού.
• Τα κύτταρα πάχους 60 νανομέτρων προσφέρουν 41% διαπερατότητα ορατού φωτός και 7.6% απόδοση μετατροπής ενέργειας.
• Η τεχνολογία προορίζεται για εφαρμογή σε παράθυρα κτηρίων, ηλιοροφές οχημάτων και έξυπνες συσκευές, μειώνοντας τις απαιτήσεις σε γη για εγκαταστάσεις φωτοβολταϊκών.

Η αναζήτηση αποδοτικών και ταυτόχρονα αισθητικά ουδέτερων μεθόδων παραγωγής ενέργειας στον αστικό ιστό αποκτά νέα δεδομένα. Ερευνητική ομάδα από το Nanyang Technological University (NTU) της Σιγκαπούρης ανέπτυξε ημιδιαφανή, εξαιρετικά λεπτά ηλιακά κύτταρα περοβσκίτη, τα οποία μπορούν να ενσωματωθούν σε συμβατικές γυάλινες επιφάνειες, μετατρέποντάς τες σε ενεργές γεννήτριες ηλεκτρικού ρεύματος. Η μελέτη, η οποία δημοσιεύτηκε στο έγκριτο επιστημονικό περιοδικό ACS Energy Letters, καταγράφει μια σημαντική τεχνική υλοποίηση: τη δημιουργία κυττάρων που είναι 10.000 φορές πιο λεπτά από μια ανθρώπινη τρίχα και 50 φορές πιο λεπτά από τα συμβατικά ηλιακά κύτταρα περοβσκίτη.

Το κύριο τεχνικό επίτευγμα της ομάδας του Ερευνητικού Ινστιτούτου Ενέργειας (ERI@N) αφορά την κλίμακα και τη μέθοδο παραγωγής. Οι ερευνητές δημιούργησαν στρώματα απορροφητή περοβσκίτη με πάχος που φτάνει τα 10 νανόμετρα. Για την παραγωγή τους, η ομάδα δεν βασίστηκε σε μεθόδους επίστρωσης με περιδίνηση που χρησιμοποιούνται συνήθως στα εργαστήρια, αλλά εφάρμοσε μια διαδικασία θερμικής εξάτμισης σε περιβάλλον κενού.

Η θερμική εξάτμιση αποτελεί μια τεχνική ήδη καθιερωμένη στη βιομηχανία ηλεκτρονικών (όπως στην κατασκευή πάνελ OLED). Κατά τη διαδικασία αυτή, τα υλικά θερμαίνονται σε συνθήκες κενού μέχρι να εξατμιστούν και στη συνέχεια εναποτίθενται ομοιόμορφα πάνω στο υπόστρωμα. Η πλήρης απουσία διαλυτών και η διαδικασία εν κενώ εξασφαλίζει εξαιρετικά λείες και ομοιόμορφες επιφάνειες, αποτρέποντας ατέλειες που μειώνουν την απόδοση των ηλιακών κυττάρων, ενώ παράλληλα καθιστά τη διαδικασία άμεσα κλιμακώσιμη για εμπορική παραγωγή μεγάλων επιφανειών.

Ενεργειακή απόδοση και οπτική διαπερατότητα

Η αρχιτεκτονική των ημιδιαφανών ηλιακών κυττάρων (ST-PSCs) έρχεται αντιμέτωπη με έναν σταθερό φυσικό συμβιβασμό: όσο περισσότερο φως αφήνει το υλικό να περάσει (διαπερατότητα), τόσο λιγότερο φως απορροφά για να παράγει ηλεκτρικό ρεύμα (απόδοση). Τα δεδομένα που καταγράφηκαν στην έρευνα υποδεικνύουν μια εξαιρετικά ισορροπημένη προσέγγιση. Ένα ηλιακό κύτταρο περοβσκίτη με στρώμα απορροφητή πάχους 60 νανομέτρων επέτρεψε τη διέλευση του 41% του ορατού φωτός. Ταυτόχρονα, πέτυχε απόδοση μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια της τάξης του 7.6%.

Αν και το ποσοστό του 7.6% υπολείπεται του 20-25% που επιτυγχάνουν τα συμβατικά, αδιαφανή πάνελ πυριτίου, η αξία της συγκεκριμένης τεχνολογίας έγκειται στην εφαρμοστικότητα της. Διατηρώντας την ουδετερότητα στο χρώμα, τα συγκεκριμένα φιλμ μπορούν να τοποθετηθούν στα τζάμια κτηρίων χωρίς να αλλοιώνουν το φυσικό φως του εσωτερικού χώρου ή την εξωτερική αισθητική του κτηρίου.

Πρακτικές εφαρμογές και αστική κλιμάκωση

Η ενσωμάτωση φωτοβολταϊκών στοιχείων στα κτήρια (Building-Integrated Photovoltaics – BIPV) αποτελεί κρίσιμη παράμετρο για την επίτευξη των στόχων μηδενικών εκπομπών. Σύμφωνα με τους υπολογισμούς της ερευνητικής ομάδας του NTU, εάν η συγκεκριμένη τεχνολογία εφαρμοστεί στις τεράστιες γυάλινες προσόψεις ενός τυπικού εμπορικού ουρανοξύστη, η θεωρητική παραγωγή ενέργειας θα μπορούσε να ανέλθει σε αρκετές εκατοντάδες μεγαβατώρες ετησίως. Μια τέτοια ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας μπορεί να καλύψει τις ανάγκες φωτισμού και λειτουργίας συστημάτων κλιματισμού μεγάλου μέρους του κτηρίου.

Εκτός από τα εμπορικά κτήρια, η συγκεκριμένη τεχνολογία παρουσιάζει τεράστιο ενδιαφέρον για την αυτοκινητοβιομηχανία. Η εφαρμογή υπερλεπτων φιλμ περοβσκίτη στις ηλιοροφές ή στα φιμέ τζάμια ηλεκτρικών οχημάτων μπορεί να προσφέρει συνεχή τροφοδοσία στα δευτερεύοντα συστήματα του οχήματος (όπως το σύστημα infotainment ή ο κλιματισμός στάθμευσης), μειώνοντας την κατανάλωση από την κύρια μπαταρία. Επιπρόσθετα, η ενσωμάτωση της τεχνολογίας σε wearables και έξυπνα γυαλιά ανοίγει τον δρόμο για μικροσυσκευές που φορτίζουν διαρκώς κατά την έκθεσή τους στο φως του περιβάλλοντος.

Προκλήσεις και επόμενα βήματα

Παρά τα εντυπωσιακά τεχνικά χαρακτηριστικά της κατασκευής στο εργαστήριο, η εμπορική διάθεση της τεχνολογίας απαιτεί την επίλυση σημαντικών ζητημάτων μακροχρόνιας σταθερότητας. Ο περοβσκίτης, ως υλικό, παρουσιάζει ευαισθησία στην υγρασία, τη θερμότητα και τη συνεχή έκθεση στην υπεριώδη ακτινοβολία. Οι ερευνητές επικεντρώνονται πλέον, σε συνεργασία με βιομηχανικούς εταίρους, στην ενίσχυση της ανθεκτικότητας των συγκεκριμένων κυττάρων, εφαρμόζοντας τεχνικές προστατευτικής ενθυλάκωσης που θα εξασφαλίσουν ότι η απόδοση των πάνελ δεν θα υποβαθμιστεί ραγδαία κατά τη διάρκεια της ζωής του κτηρίου.

Η αποδεδειγμένη, ωστόσο, δυνατότητα κατασκευής των υπέρλεπτων ηλιακών κυττάρων με τη μέθοδο της θερμικής εξάτμισης εν κενώ καθιστά την τεχνολογία άμεσα μεταφερόμενη στις υπάρχουσες γραμμές παραγωγής, μειώνοντας δραματικά τον απαιτούμενο χρόνο για την εκβιομηχάνιση της.

*Μπορείτε πλέον να προσθέσετε το Techgear.gr ως Προτιμώμενη Πηγή ενημέρωσης για τις αναζητήσεις σας στο Google Search!