Desarrollar las cunas para mejorar la gestión de la luz en Windows solar
La ciencia de la gestión de la luz en Windows solar
Las ventanas solares representan un avance en la fotovoltaica integrada (BIPV), permitiendo que las superficies de vidrio ordinario generen electricidad mientras preservan la luz natural.El reto radica en controlar el espectro solar: luz visible (400–700 nm) debe pasar por la iluminación, mientras que la conversión de la banda de luz cercana a infrarrojos (NIR) y ultravioleta (UV) que contribuyen poco a la luz diaria, pero que absorben la eficiencia óptica.
Tecnologías clave de la cobertura
Coatings antirreflejos
Los revestimientos antirreflejos reducen las reflexiones superficiales, permitiendo que más luz entre en la ventana. Para las ventanas solares, esto significa una mayor transmisión visible y un aumento de flujo de fotones que alcanza la capa fotovoltaica. Los revestimientos estándar AR utilizan capas de interferencia de onda trimestral de materiales como nitruro de silicio o fluoruro de magnesio.
Coatings selectivos espectralmente
Los revestimientos selectivos espectros están diseñados para transmitir luz visible mientras se reflejan o absorben radiación infrarroja y ultravioleta. Esto se logra utilizando múltiples pilas de fino que actúan como filtros ópticos. Por ejemplo, las pilas dielectric-metal-dieléctrica (DMD) utilizando capas de plata o cobre emparejados entre óxidos transparentes como el óxido de estaño indio (ITOIheatol) o óxido solar del 90% pueden lograr transmisión visible
Coatings de baja emisividad (Low-E)
Los revestimientos de baja eficiencia ya son comunes en ventanas de bajo consumo energético para aislamiento térmico. En ventanas solares, sirven un doble papel: reducir la transferencia radiativa de calor entre el interior y el exterior, y gestionar el coeficiente de ganancia de calor solar (SHGC). Capas de bajo costo de capas de bajo costo, normalmente con base en plata, se depositan mediante el escaneo y se pueden sintonizar para reflejar el exceso de onda larga al tiempo que se mejora la transmisión de luz visible.
Coatings fotovoltaicos
Las recubrimientos de absorción fotovoltaica (PV) convierten la luz solar directamente en la superficie de la ventana. Estos recubrimientos se basan típicamente en tecnologías de fino de suciedad, como silicio amorfo, cadmio dicuride o cobre indio gallium selenide (CIGS). Las soluciones emergentes incluyen fotovoltaica orgánica (OPV), células solares de color tinte promisorios, y de conversión de perovskite.
Innovaciones recientes en el desarrollo de la cocina
Diseños multicapas no estructurados
La nanotecnología ha permitido la creación de revestimientos multicapa con espesores controlados precisamente (10–200 nm) que manipulan la luz mediante interferencias constructivas y destructivas. Utilizando la deposición de capa atómica (ALD) o el escaneo de magnetrones, los investigadores pueden apilar hasta docenas de capas para lograr respuestas espectros complejos. Por ejemplo, un revestimiento que consiste en la combinación de tinción2 y SiO2 pueden actuar como un espejo multifil
Coatings auto-liberantes
El polvo, el ensuciamiento y el crecimiento biológico reducen el rendimiento de las ventanas solares con el tiempo. Los revestimientos autolimpiados se dirigen a esto mediante fotocatalisis o superhidrofílica. Recubrimientos de dióxido de titanio (TiO2), por ejemplo, descomponen la suciedad orgánica bajo la luz UV y hacen que el agua se disemine uniformemente.
Coatings termocroméricos y electrocromásicos
Los revestimientos adaptativos que responden a la temperatura o los estímulos eléctricos son un área activa de investigación. Los revestimientos termocromáticos, como los basados en dióxido de vanadio (VO2), cambian de transparente a opaco o reflectante cuando se alcanza una temperatura umbral, bloqueando el NIR durante los períodos calientes, permitiendo la luz visible. Los revestimientos electrocromáticos, utilizando materiales como el óxido de tungsteno, pueden ser o iluminados a la demanda.
Desafíos en el desarrollo de la cocina
Equilibración de la eficiencia y la transparencia
Para generar electricidad, el revestimiento de VP debe absorber fotones, lo que reduce inherentemente la transmisión. Alcanzar un equilibrio óptimo —normalmente con la transmisión visible entre el 20% y el 50% y la eficiencia razonable— requiere una ingeniería cuidadosa del espesor del absorbente, el brote de banda y el trapping de luz. Persona semitransparente y diseños de puntos cuánticos muestran que los diseños de puntos de promesa son difíciles.
Durabilidad y resistencia al clima
Las ventanas solares deben soportar años de exposición a la radiación UV, el ciclismo de temperatura, la humedad y el estrés mecánico. Los revestimientos de relleno de latón son susceptibles a la deslamización, oxidación y entrada de humedad. Los investigadores están explorando estrategias de encapsulación, capas de barrera y sellado hermético para extender vidas. estándares de pruebas acelerados, como IEC 61646, ayudan a evaluar la fiabilidad, pero los datos de rendimiento del mundo real son todavía limitados para muchas tecnologías emergentes.
Estética y Aceptación de Mercado
Para la integración arquitectónica, los revestimientos deben ser visualmente uniformes, neutros en color (o estéticamente agradables), y libres de estrangular o iridiscencia. Las pilas multicapa pueden producir colores de interferencia que pueden ser indeseables. Los espesores de capas de afinación para lograr un tono neutro o una paleta de color específica es un reto continuo.
Costo de fabricación y escalabilidad
Los revestimientos de alto rendimiento dependen a menudo de técnicas de deposición de vacío (sputtering, evaporation, ALD) que son costosos y limitados en la producción. Procesamiento de rollo a rollo, deposición de baño químico y impresión de inyección de tinta se están desarrollando para reducir costos. Por ejemplo, el recubrimiento de pereza de capas PV de periva se ha demostrado en sustratos de vidrio a velocidades compatibles con la producción de vidrio de vidrio flotante.
Future Directions
Coatings multifuncionales
El objetivo final es integrar todas las funciones necesarias: gestión de la luz, generación de energía, control térmico, autolimpiación y estética, en una sola pila de revestimiento. La investigación se mueve hacia diseños “todo en uno” que combinan un filtro selectivo espectralmente, una célula de pericoveno semitransparente, una capa de antirreflexión y una interfaz de tapa autolimpiante que simplificaría el número de recubrimiento óptico.
Integración con sistemas de energía
Las ventanas solares futuras serán parte de sistemas inteligentes de gestión de energía de construcción. Los sensores y microcontroladores incorporados pueden ajustar los revestimientos electrocromáticos basados en la luz ambiental, la ocupación y la demanda de red. La electricidad generada podría potenciar directamente el conmutación electrocromo, creando ventanas autoreguladas. Además, se están desarrollando estándares fotovoltaicos integrados (BIPV) para fomentar la adopción, como la Directiva de la UE 24EP
Materiales y conceptos emergentes
Los revestimientos de próxima generación pueden explotar puntos cuánticos, nanopartículas plasmónicas y cristales fotonicos para manipular la luz a escalas de subonlength. Por ejemplo, incrustar nanorodes de plata en una matriz dieléctrica puede crear absorbentes sensibles a la polarización para el NIR manteniendo la transparencia visible. Los periesgos dobles y materiales bidimensionales como el MoS2 se están explorando para el tiempo de un desarrollo de laminado estable y sin plomo.
Conclusión
Los recubrimientos avanzados son la piedra clave para hacer de las ventanas solares un componente práctico y atractivo de los edificios sostenibles. Al gestionar cuidadosamente el espectro solar, estos recubrimientos permiten la generación de energía, la comodidad térmica y la iluminación natural en un solo producto de acristalamiento. Mientras que los desafíos en la durabilidad, coste y estética permanecen, el rápido progreso en la nanotecnología, materiales adaptables y procesos de fabricación apunta a un futuro donde las ventanas solares tan comunes como el doble acristalamiento.
For further reading, see reviews on semi-transparent perovskite photovoltaics and nanophotonic coatings for smart windows.