Tiede valonhallinta aurinko Windows

Aurinkoikkunat ovat läpimurto rakennuksen integroiduissa aurinkosähköissä (BIPV), joiden avulla tavalliset lasipinnat tuottavat sähköä samalla kun säilytetään luonnonvaloa. Haasteena on hallita aurinkospektriä: näkyvän valon (400.700 nm) on läpäistävä valaistus, kun taas lähellä infrapunaa (NIR) ja ultraviolettia (UV) aallonpituuksia.Nämä aallot vaikuttavat vain vähän päivänvaloon mutta aiheuttavat lämmitystä ja materiaalista pilaantumista. Tehokas valonhallinta saavutetaan erikoisoptisilla pinnoitteilla, jotka valikoivasti lähettävät, heijastavat tai absorboivat tietyn aallonpituuskaistan. Nämä pinnoitteet on suunniteltu nanomittakaavalla manipuloimaan fotoneja, tasapainottamaan energian muuntaminen tehokkuutta matkustajien mukavuuden ja rakennuksen energiatehokkuuden kanssa.

Keskeiset pinnoitteet

Anti-deflective pinnoitteet

Heijastavat (AR) pinnoitteet vähentävät pintaheijastuksia, jolloin ikkunaan pääsee enemmän valoa. Aurinko-ikkunoiden osalta tämä tarkoittaa suurempaa näkyvää läpinäkyvyystä ja fotonivirran lisääntymistä, joka saavuttaa aurinkosähkökerroksen. Standard AR-pinnoitteissa käytetään neljännesaaltoaaltoa häiritseviä materiaalikerroksia, kuten piinitrioksidia tai magnesiumfluoridia. Viimeaikaiset edistysaskeleet käyttävät nanorakenteisia koinsilmämalleja, jotka tarjoavat laajakaistan vastaheijastuksen koko näkyvän spektrin alueella. Nämä pinnoitteet voivat parantaa valon läpäisyä 3.

Spektrally Selective Coatings

Spektrally selective pinnoitteet on suunniteltu lähettämään näkyvää valoa samalla kun ne heijastavat tai absorboivat infrapuna- ja ultraviolettisäteilyä. Tämä saavutetaan käyttämällä useita ohuen kalvon pinoja, jotka toimivat optisina suodattimina. Esimerkiksi dielektriset metalli-dielektriset pinot (DMD) käyttävät hopea- tai kuparikerroksia, jotka on voitettu läpikuultavien oksidien, kuten indiumtinaoksidin (ITO) tai sinkkioksidin, välillä, voivat saavuttaa näkyvän siirron yli 70 prosenttia ja heijastaa jopa 90 prosenttia NIR:stä. Tällaiset pinnoitteet ovat keskeisellä sijalla luotaessa .

Matalan korkeuden pinnoitteet (Low-E)

Matala-E-pinnoitteet ovat jo yleisiä energiatehokkaissa lämpöeristeissä. Aurinko-ikkunoissa ne palvelevat kaksoisroolia: säteilevän lämmönsiirron vähentäminen sisä- ja ulkotilojen välillä sekä aurinkolämmön kasvukertoimen (SHGC) hallinta. Pehmeä-E-kerros, tyypillisesti hopeapohjainen, talletetaan sputteroinnin kautta ja voidaan virittää heijastamaan pitkäaaltoista infrapunaa samalla kun valot näkyvät. Kun nämä pinnoitteet yhdistetään aurinkokennoihin, ne estävät lämpöä pääsemästä talvella ja estävät ylimääräisen auringon kesällä, mikä parantaa ikkunan energiatasapainoa.

Valovoltaiset pinnoitteet

Valovoltaiset (PV) pinnoitteet muuntavat auringonvalon suoraan ikkunan pinnalla sähköksi. Nämä pinnoitteet perustuvat tyypillisesti ohutkalvoteknologiaan, kuten amorfiseen pii-, kadmiumtelluridi- tai kupari-indiumgalliumselenidi (CIGS). Kehittyvät ratkaisut sisältävät orgaanisia aurinkosähköjä (OPV), väriaineherkät aurinkokennot (DSSC) ja perovskite ohuet kalvot. Perovskite pinnoitteet ovat erityisesti saavuttaneet yli 20% tehonmuunnuksen tehosta säilyttäen kuitenkin osittaisen läpinäkyvyyden paksuuden paksuuden hallinnan ja koostumuksen suunnittelun avulla. Kvanttipistepinnoitteet tarjoavat tonnikalasäteitä, jotka mahdollistavat NIR:n valikoivan imeytymisen samalla kun ne lähettävät näkyvää valoa, lupaavan lähestymistavan puoliaukeville aurinkoikkunoille.

Viimeaikaiset innovaatiot pinnoitteiden kehittämisessä

Nanostrukturoidut monikerroksiset mallit

Nanoteknologia on mahdollistanut monikerroksisten pinnoitteiden luomisen tarkasti kontrolloiduilla paksuuksilla (10...200 nm), jotka manipuloivat valoa rakentavilla ja tuhoisilla häiriöillä. Atomikerroslaskeuman (ALD) tai magnetronisputteroinnin avulla tutkijat voivat kasata jopa kymmeniä kerroksia monimutkaisten spektrivasteiden saavuttamiseksi. Esimerkiksi vuorottelevista TiO2- ja SiO2-kerroksista koostuva pinnoite voi toimia Bragg-peilinä NIR:lle ollessaan läpinäkyvä näkyvä. Yhdistämällä tällaiset optiset pinot ohutkalvo-PV-kerroksilla luodaan monitoiminen pinnoite, joka kerää aurinkoenergiaa, ohjaa lämmönnousua ja tuottaa antiheijastusta.

Itsesiivouspinnoite

Itsepuhdistuvat pinnoitteet käsittelevät tätä fotokatalyysia tai superhydrofiilisyyttä käyttämällä. Titaanidioksidi (TiO2) pinnoitteet esimerkiksi hajottavat orgaanisen lian UV-valossa ja aiheuttavat veden tasaisen leviämisen, pesevät pois roskat. Fluoratut polymeerit tai nanostrukturoitu piidioksidi hylkivät vettä ja minimoivat lian tarttumisen. Nämä pinnoitteet vähentävät ylläpitokustannuksia ja auttavat ylläpitämään johdonmukaista valonsiirtoa ja PV-lähtöä, mikä on ratkaisevan tärkeää pitkän aikavälin järjestelmän luotettavuuden kannalta.

Lämpökromaattiset ja sähkökromaattiset pinnoitteet

Lämpötilaan tai sähköisiin ärsykkeisiin vastaavat mukautuvat pinnoitteet ovat aktiivinen tutkimusalue. Lämpökromaattiset pinnoitteet, kuten vanadiinidioksidiin (VO2) perustuvat pinnoitteet, kytkin läpinäkyvästä läpinäkymättömään tai heijastavaan kynnyksen lämpötilan saavuttamisen yhteydessä, estäen NIR:n kuumina aikoina samalla kun se mahdollistaa näkyvän valon. Sähkökromaattiset pinnoitteet, joissa käytetään volframioksidin kaltaisia materiaaleja, voidaan tummuttaa tai valaista tarvittaessa pienen jännitteen avulla. Näiden yhdistäminen PV-kerroksiin luo älykkäitä aurinkoikkunoita, jotka voivat dynaamisesti optimoida valonhallinnan, parantaa sekä energiantuotantoa että sisäilmamukavuutta.

Pinnoituskehityksen haasteet

Tehokkuuden ja avoimuuden tasapainottaminen

Aurinkosähkön tehokkuuden ja näkyvän avoimuuden välillä on perustavanlaatuinen ero. Sähkön tuottamiseksi PV-pinnoite imee fotonit, mikä luonnostaan vähentää lähetystä. Optimaalisen tasapainon saavuttaminen .Tyypillisesti näkyvän läpinäkyvyys 20-50% ja kohtuullinen tehokkuus.

Kestävyys ja sääkestävyys

Aurinkoikkunoiden on kestettävä vuosia altistumista UV-säteilylle, lämpötilan pyöräilylle, kosteudelle ja mekaaniselle stressille. Ohutkalvopinnoitteet ovat alttiita delaminaatiolle, hapetukselle ja kosteuden tunkeutumiselle. Tutkijat tutkivat kapselointistrategioita, estekerroksia ja hermeettistä tiivistystä pidentääkseen elinikää. Nopeutetut testausstandardit, kuten IEC 61646, auttavat arvioimaan luotettavuutta, mutta reaalimaailman suorituskykytiedot ovat edelleen rajalliset monissa kehittyvissä pinnoitteissa.

Estetiikka ja markkinoiden hyväksyntä

Arkkitehtuurin integraatioon pinnoitteiden on oltava visuaalisesti yhtenäisiä, värineutraalia (tai esteettisesti miellyttävää), eikä niissä saa olla viipeitä tai iridescenssiä. Monikerroksiset pinot voivat tuottaa häiriöitä värien kanssa, jotka eivät ole toivottuja. Tuningkerrospaksuus on neutraali sävy tai tietty väripalette on jatkuva haaste. Rakennusten omistajat ja arkkitehdit asettavat usein estetiikan etusijalle energiatehokkuuden suhteen, joten pinnoitteet, jotka tarjoavat molemmat ovat välttämättömiä markkinoiden käyttöönotolle.

Valmistuskustannukset ja -skaalattavuus

Korkeatehoiset pinnoitteet perustuvat usein vakuumipinnoitustekniikoihin (puntaus, haihtuminen, ALD), jotka ovat kalliita ja rajallisia läpiviennissä. Roll-to-roll-prosessointia, kemiallista kylpylaskeutumista ja mustesuihkupainatusta kehitetään kustannusten vähentämiseksi. Esimerkiksi perovskite-PV-kerrosten slot-die-pinnoitus on osoitettu lasialustoilla floatlasintuotannon kanssa yhteensopivilla nopeuksilla. Yhtenäisen laadun saavuttaminen suurilla alueilla (esim. 1,5 m × 2 m ikkunat) ilman pinnreikiä tai paksuusvaihteluja on ratkaisevan tärkeää kaupallisen elinkelpoisuuden kannalta.

Tulevaisuuden suunnat

Monitoimipinnoitteet

Perimmäisenä tavoitteena on integroida kaikki tarvittavat toiminnot.Valoohjaus, energiantuotanto, lämmönsäätö, itsepuhdistus ja estetiikka. Tutkimus etenee kohti .Kaikki yhdessä -mallia, jossa yhdistyvät spektrisesti valikoiva suodatin, puoliaukeamaton perovskite-solu, heijastussuojakerros ja itsepuhdistuva pintakerros. Tällaiset pinnoitteet yksinkertaistaisivat valmistusta ja vähentäisivät rajapintojen määrää, parantaisivat kestävyyttä. Varhaiset prototyypit ovat osoittaneet, että huolellinen optinen yhteensopivuus kerrosten välillä voi säilyttää suorituskyvyn minimoiden vaihto-off-tason.

Integrointi rakennusenergiajärjestelmiin

Tulevaisuuden aurinkoikkunat ovat todennäköisesti osa älykkäitä rakennusenergian hallintajärjestelmiä. Upotetut anturit ja mikroohjaimet voisivat säätää sähkökromaattiset pinnoitteet, jotka perustuvat ympäröivään valoon, asumiseen ja verkkokysyntään. Sähkön tuottaminen voisi suoraan tuottaa sähkökromaattisen kytkimen, luoda itsesäätelyikkunoita. Lisäksi kehitetään rakennus-integroituja aurinkosähköstandardeja ja kannustimia, kuten EU:n rakennusten energiatehokkuutta koskeva direktiivi (EPBD) ja Kalifornian direktiivi (California) -sopimuksen 24-luvun vaatimukset.

Kehittyvät materiaalit ja käsitteet

Seuraavan sukupolven pinnoitteet voivat hyödyntää kvanttipisteitä, plasmonisia nanohiukkasia ja fotonisia kiteitä manipuloidakseen valoa aliaaltopituuden asteikoilla. Esimerkiksi hopeanorodien upottaminen dielektriseen matriisiin voi luoda polarisaatioherkkiä NIR:n absorboijia säilyttäen näkyvän läpinäkyvyyden. Laatautuneita kaksoisperovskiitteja ja kaksiulotteisia materiaaleja, kuten MoS2, tutkitaan vakaiden, lyijyttömien aurinkosähköjen löytämiseksi. Koneoppimista käytetään myös monikerroksisten pinnoitteiden optimointiin, jolloin kehitysaika lyhenee kuukausista päiviin.

Päätelmät

Kehittyneet pinnoitteet ovat keskeinen tekijä aurinkoikkunoiden käytännön ja houkuttelevuuden tekemisessä kestävien rakennusten komponentiksi. Aurinkospektrin huolellisella hallinnalla nämä pinnoitteet mahdollistavat energiantuotannon, lämpömukavuuden ja luonnollisen päivänvalon yhden lasin tuote. Vaikka kestävyys, kustannukset ja esteettisyys ovat edelleen haasteita, nanoteknologian, mukautuvien materiaalien ja valmistusprosessien nopea edistyminen osoittaa tulevaisuuteen, jossa aurinkoikkunat ovat yhtä yleisiä kuin kaksoislasit. Kansallinen uusiutuvan energian laboratorio ja Massachusetts Institute of Technology (MIT) [] jatkavat rajojen työntämistä, kehittävät pinnoitteita, jotka voivat muuttaa rakennusjulkisuuksia hajautetuiksi voimaloiksi. Jatkuvalla investoinneilla ja innovoinnilla, tehostetut valonhallinnan pinnoitteet ovat keskeisessä asemassa verkko- ja zero-energiarakennusten saavuttamisessa ja vähentävät maailmanlaajuisia hiilipäästöjä.

For further reading, see reviews on semi-transparent perovskite photovoltaics and nanophotonic coatings for smart windows.[[LLT:0]]