Η Επιστήμη της Διαχείρισης του Φωτός στα Ηλιακά Παράθυρα

Τα ηλιακά παράθυρα αποτελούν μια σημαντική ανακάλυψη στα δομικά φωτοβολταϊκά (BIPV), επιτρέποντας στις κανονικές γυάλινες επιφάνειες να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια, διατηρώντας παράλληλα το φυσικό φως της ημέρας. Η πρόκληση έγκειται στον έλεγχο του ηλιακού φάσματος: το ορατό φως (400 ⁇ 700 nm) πρέπει να περάσει για φωτισμό, ενώ τα μήκη κύματος (NIR) και υπεριώδους (UV) ⁇ που συμβάλλουν ελάχιστα στο φως της ημέρας αλλά προκαλούν θέρμανση και υποβάθμιση υλικού ⁇ πρέπει να διαχειριστούν. Η αποτελεσματική διαχείριση του φωτός επιτυγχάνεται μέσω εξειδικευμένων οπτικών επικαλύψεων που εκπέμπουν επιλεκτικά, αντανακλούν ή απορροφούν συγκεκριμένες ζώνες μήκους κύματος.

Βασικές τεχνολογίες επικάλυψης

Αντιανακλαστικά επιχρίσματα

Οι αντιανακλητικές (AR) επικαλύψεις μειώνουν τις ανακλάσεις της επιφάνειας, επιτρέποντας περισσότερο φως για να εισέλθουν στο παράθυρο. Για τα ηλιακά παράθυρα, αυτό σημαίνει υψηλότερη ορατή μετάδοση και αυξημένη ροή φωτονίων που φθάνουν στο φωτοβολταϊκό στρώμα. Οι τυποποιημένες επιστρώσεις AR χρησιμοποιούν στρώματα παρεμβολής ημικυμάτων υλικών όπως το νιτρώδες πυρίτιο ή το φθοριούχο μαγνήσιο. Οι πρόσφατες εξελίξεις χρησιμοποιούν νανοδομήματα σκώρο-μάτι που παρέχουν ευρυζωνική αντιανακλαστικότητα σε όλο το ορατό φάσμα. Αυτές οι επικαλύψεις μπορούν να ενισχύσουν τη μετάδοση φωτός κατά 3 ⁇ 8% σε σύγκριση με το μη επικαλυμμένο γυαλί, βελτιώνοντας άμεσα τόσο την απόδοση του φωτός στο φως της ημέρας όσο και των ηλιακών κυττάρων.

Θεαματικά επιλεκτικά επιχρίσματα

Αυτό επιτυγχάνεται με πολλαπλές στοιβάδες λεπτών ταινιών που λειτουργούν ως οπτικά φίλτρα. Για παράδειγμα, οι στοιβάδες διηλεκτρικών-μεταλλικών-διηλεκτρικών (DMD) που χρησιμοποιούν στρώματα αργύρου ή χαλκού που ενώνονται μεταξύ διαφανών οξειδίων κασσιτέρου (ITO) ή οξειδίου του ψευδαργύρου μπορούν να επιτύχουν ορατή μετάδοση >70% ενώ αντανακλούν έως και 90% του NIR. Τέτοιες επικαλύψεις είναι κεντρικής σημασίας για τη δημιουργία «ψυχρών» ηλιακών παραθύρων που παράγουν ηλεκτρική ενέργεια χωρίς υπερθέρμανση εσωτερικών χώρων.

Επικάλυψη χαμηλής αντιπροσωπευτικότητας (χαμηλής συχνότητας)

Στα ηλιακά παράθυρα, εξυπηρετούν διπλό ρόλο: μείωση της μεταφοράς ακτινοβολίας μεταξύ εσωτερικού και εξωτερικού, και διαχείριση του συντελεστή αύξησης της ηλιακής θερμότητας (SHGC). Τα στρώματα Soft-coat Low-E, συνήθως με βάση το ασήμι, εναποτίθενται μέσω του χυμού και μπορούν να συντονιστούν για να αντανακλούν υπερύθρους μεγάλου κύματος, επιτρέποντας παράλληλα ορατή μετάδοση φωτός. Όταν συνδυάζονται με φωτοβολταϊκά στρώματα, αυτές οι επικαλύψεις εμποδίζουν τη θερμότητα να διαφύγει το χειμώνα και να μπλοκάρει την περίσσεια ηλιακής θερμότητας το καλοκαίρι, βελτιώνοντας το συνολικό ενεργειακό ισοζύγιο του παραθύρου.

Φωτοβολταϊκά Επιχρίσματα

Οι επιστρώσεις αυτές συνήθως βασίζονται σε τεχνολογίες λεπτού φιλμ όπως το άμορφο πυρίτιο, το τελλουρίδιο κάδμιο ή το σεληνιούχο γάλλιο χαλκού (CIGS). Οι λύσεις που αναδύονται περιλαμβάνουν οργανικά φωτοβολταϊκά (OPV), ηλιακά κύτταρα με αίσθηση βαφής (DSSC), και λεπτά perovskite φιλμ. Οι επικαλύψεις υπερόφσκιτε, ειδικότερα, έχουν επιτύχει απόδοση μετατροπής ισχύος άνω του 20% διατηρώντας παράλληλα μερική διαφάνεια μέσω του ελέγχου πάχους και της μηχανικής σύνθεσης. Οι επικαλύψεις κβαντούμ προσφέρουν τανοειδή bangaps, επιτρέποντας επιλεκτική απορρόφηση του NIR ενώ μεταδίδουν ορατό φως, μια ελπιδοφόρα προσέγγιση για ημιδιαφανή ηλιακά παράθυρα.

Πρόσφατες καινοτομίες στην ανάπτυξη επικάλυψης

Νανοδομή πολυστρωματικών σχεδίων

Η νανοτεχνολογία έχει επιτρέψει τη δημιουργία πολυστρωματικών επικαλύψεων με επακριβώς ελεγχόμενο πάχος (10 ⁇ 200 nm) που χειραγωγούν το φως μέσω εποικοδομητικής και καταστροφικής παρεμβολής. Χρησιμοποιώντας την ατομική εναπόθεση στρώματος (ALD) ή το σπόττινγκ μαγνητών, οι ερευνητές μπορούν να στοιβάζουν μέχρι δεκάδες στρώματα για να επιτύχουν σύνθετες φασματικές ανταποκρίσεις. Για παράδειγμα, μια επικάλυψη που αποτελείται από εναλλασσόμενα στρώματα TiO2 και SiO2 μπορεί να λειτουργήσει ως κάτοπτρο Bragg για το NIR ενώ είναι διαφανής στο ορατό. Συνδυάζοντας τέτοιες οπτικές στοίβες με στρώματα λεπτών ταινιών PV δημιουργεί μια πολυλειτουργική επικάλυψη που συλλέγει ηλιακή ενέργεια, ελέγχει το κέρδος θερμότητας, και παρέχει αντιανακλαστική.

Αυτοκαθαριστικά Επιθέματα

Οι αυτοκαθαριστικές επικαλύψεις το αντιμετωπίζουν αυτό χρησιμοποιώντας φωτοκατάλυση ή υπερυδροφιλικότητα. Οι επικαλύψεις διοξειδίου του τιτανίου (TiO2), για παράδειγμα, διασπάνε οργανική βρωμιά υπό υπεριώδες φως και κάνουν το νερό να εξαπλώνεται ομοιόμορφα, ξεπλένοντας τα συντρίμμια. Υπερυδροφοβικές επικαλύψεις με βάση φθοριωμένα πολυμερή ή νανοδομήματα πυριτικά απωθούν το νερό και ελαχιστοποιούν την πρόσφυση του ρύπου. Αυτές οι επικαλύψεις μειώνουν το κόστος συντήρησης και βοηθούν στη διατήρηση σταθερής μετάδοσης φωτός και εξόδου φωτοβολταϊκών, η οποία είναι κρίσιμη για μακροπρόθεσμη αξιοπιστία του συστήματος.

Θερμοχρωμικές και ηλεκτροχρωστικές επικαλύψεις

Οι θερμοχρωμικές επικαλύψεις, όπως αυτές που βασίζονται στο διοξείδιο του βαναδίου (VO2), αλλάζουν από διαφανές σε αδιαφανές ή ανακλαστικό όταν επιτυγχάνεται θερμοκρασία κατωφλίου, μπλοκάροντας το NIR κατά τη διάρκεια θερμών περιόδων ενώ επιτρέπουν το ορατό φως. Οι ηλεκτροχρωμικές επικαλύψεις, χρησιμοποιώντας υλικά όπως το οξείδιο του βολφραμίου, μπορούν να σκουριάσουν ή να ελαφρύνουν κατά τη ζήτηση εφαρμόζοντας μια μικρή τάση. Η ενσωμάτωση τους με φωτοβολταϊκά στρώματα δημιουργεί έξυπνα ηλιακά παράθυρα που μπορούν να βελτιστοποιήσουν δυναμικά τη διαχείριση του φωτός, βελτιώνοντας τόσο την παραγωγή ενέργειας όσο και την εσωτερική άνεση.

Προκλήσεις στην Ανάπτυξη Επικάλυψης

Ισορροπία αποδοτικότητας και διαφάνειας

Για να παραχθεί ηλεκτρική ενέργεια, η επίστρωση φωτοβολταϊκών πρέπει να απορροφήσει φωτόνια, η οποία μειώνει εγγενώς τη μετάδοση. Επίτευξη βέλτιστης ισορροπίας ⁇ τυπικά με ορατή μετάδοση μεταξύ 20% και 50% και λογική απόδοση ⁇ απαιτεί προσεκτική μηχανική του πάχους απορροφητήρα, bangap, και ελαφρύ παγίδευση. Ημιδιαφανές perovskite και κβαντική τελεία σχέδια δείχνουν υπόσχεση, αλλά κλιμάκωση αυτά σε μεγάλα παράθυρα παραμένει προκλητική.

Ανθεκτικότητα και Αντίσταση του Καιρού

Τα ηλιακά παράθυρα πρέπει να αντέχουν χρόνια έκθεσης σε υπεριώδη ακτινοβολία, κύκλο θερμοκρασίας, υγρασία και μηχανική καταπόνηση. Οι επικαλύψεις με λεπτό υμένιο είναι ευπαθείς στη μελάνωση, οξείδωση και είσοδο υγρασίας. Οι ερευνητές διερευνούν στρατηγικές εγκιβωτισμού, στρώματα φραγμών και ερμητική σφράγιση για να επεκτείνουν τη διάρκεια ζωής. Τα επιταχυνόμενα πρότυπα δοκιμών, όπως το IEC 61646, βοηθούν στην αξιολόγηση της αξιοπιστίας, αλλά τα δεδομένα επιδόσεων σε πραγματικό κόσμο είναι ακόμα περιορισμένα για πολλές αναδυόμενες τεχνολογίες επικάλυψης.

Αισθητική και Αποδοχή Αγοράς

Για την αρχιτεκτονική ολοκλήρωση, οι επιστρώσεις πρέπει να είναι οπτικά ομοιόμορφες, ουδέτερες από χρώμα (ή αισθητικά ευχάριστη), και απαλλαγμένες από ραβδώσεις ή ιριδισμό. Οι στοίβες πολλαπλών στρωμάτων μπορούν να παράγουν παρεμβολές χρώματα που μπορεί να είναι ανεπιθύμητες. Συντονισμός πάχος στρώματος για την επίτευξη ενός ουδέτερου τόνου ή συγκεκριμένη παλέτα χρώματος είναι μια συνεχιζόμενη πρόκληση.

Κόστος και κλιμακωσιμότητα μεταποίησης

Οι επιστρώσεις υψηλής απόδοσης συχνά βασίζονται σε τεχνικές εναπόθεσης κενού (sputtering, εξάτμιση, ALD) που είναι δαπανηρές και περιορισμένες στην crossput. Επεξεργασία ρολών σε ρολό, εναπόθεση χημικών λουτρών και εκτύπωση μελανιού αναπτύσσονται για να μειώσουν το κόστος. Για παράδειγμα, η επικάλυψη με top-die των perovskite PV στρωμάτων έχει αποδειχθεί σε υαλώδη υποστρώματα σε ταχύτητες συμβατές με την παραγωγή υαλοπινάκων πλωτήρα. Η επίτευξη σταθερής ποιότητας σε μεγάλες περιοχές (π.χ., 1,5 m × 2 m παράθυρα) χωρίς τρύπες ή διακυμάνσεις πάχους είναι κρίσιμης σημασίας για την εμπορική βιωσιμότητα.

Μελλοντικές οδηγίες

Πολυλειτουργικά επιχρίσματα

Ο τελικός στόχος είναι να ενσωματωθούν όλες οι απαιτούμενες λειτουργίες ⁇ διαχείριση φωτός, παραγωγή ενέργειας, θερμικός έλεγχος, αυτοκαθαρισμός και αισθητική ⁇ σε μια ενιαία στοίβα επικάλυψης. Η έρευνα κινείται προς «όλα-σε-ένα» σχέδια που συνδυάζουν ένα φασματικά επιλεκτικό φίλτρο, ένα ημι-διαφανές υπερόφσκιτο κύτταρο, ένα αντι-ανακλαστικό στρώμα, και ένα αυτο-καθαριστικό κάλυμμα.

Ολοκλήρωση με τα Συστήματα Ενέργειας Κτίριο

Τα μελλοντικά ηλιακά παράθυρα θα είναι πιθανόν μέρος των συστημάτων διαχείρισης ενέργειας έξυπνο κτίριο. Ενσωματωμένοι αισθητήρες και μικροελεγκτές θα μπορούσαν να ρυθμίσουν ηλεκτροχρώμια επιχρίσματα με βάση το φως περιβάλλοντος, την πληρότητα και τη ζήτηση δικτύου. Η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια θα μπορούσε να τροφοδοτήσει άμεσα ηλεκτροχρώμιο μεταγωγής, δημιουργώντας αυτορυθμιζόμενο παράθυρα. Επιπλέον, αναπτύσσονται πρότυπα και κίνητρα φωτοβολταϊκών (BIPV) που οικοδομούνται για την ενθάρρυνση της υιοθέτησης, όπως η οδηγία της ΕΕ για την ενεργειακή απόδοση των κτιρίων (EPBD) και οι απαιτήσεις του τίτλου 24 της Καλιφόρνια.

Αναδυόμενα υλικά και έννοιες

Οι επικαλύψεις επόμενης γενιάς μπορούν να εκμεταλλευτούν κβαντικές κουκίδες, πλασμονικά νανοσωματίδια και φωτονικούς κρυστάλλους για να χειραγωγήσουν το φως σε κλίμακες υποκυμάτων. Για παράδειγμα, η ενσωμάτωση των νανορόδων αργύρου σε μια διηλεκτρική μήτρα μπορεί να δημιουργήσει απορροφητές με ευαισθησία πόλωσης για NIR διατηρώντας την ορατή διαφάνεια.

Συμπέρασμα

Οι προηγμένες επικαλύψεις αποτελούν τον θεμέλιο λίθο για την κατασκευή ηλιακών παραθύρων ως πρακτικό και ελκυστικό συστατικό των βιώσιμων κτιρίων. Με την προσεκτική διαχείριση του ηλιακού φάσματος, οι επικαλύψεις αυτές επιτρέπουν την παραγωγή ενέργειας, τη θερμική άνεση και τη φυσική διαβροχή σε ένα προϊόν υαλοπινάκων. Ενώ παραμένουν οι προκλήσεις στην αντοχή, το κόστος και την αισθητική, η ταχεία πρόοδος στη νανοτεχνολογία, τα προσαρμοστικά υλικά και οι διαδικασίες κατασκευής δείχνουν ένα μέλλον όπου τα ηλιακά παράθυρα είναι κοινά ως διπλά τζάμια.Οι ερευνητές σε ιδρύματα όπως το Εθνικό Εργαστήριο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (NREL) και το Massachusetts Institute of Technology (MIT) συνεχίζουν να προωθούν τα όρια, αναπτύσσοντας επικαλύψεις που θα μπορούσαν να μετατρέψουν τις προσόψεις κτιρίων σε κατανεμημένες μονάδες ηλεκτροπαραγωγής.Με συνεχείς επενδύσεις και καινοτομίες, οι ενισχυμένες επικαλύψεις διαχείρισης φωτός θα διαδραματίσουν καθοριστικό ρόλο στην επίτευξης net-zerowerbil οικοδομών και τη μείωση των παγκόσμιων εκπομπών άνθρακα.

For further reading, see reviews on semi-transparent perovskite photovoltaics and nanophotonic coatings for smart windows.