太陽の窓における光のマネジメントの科学

太陽窓は建物統合の光起電(BIPV)の進歩を表し、自然な日光を節約する間普通のガラス表面が電気を発生させることを可能にします。 挑戦は太陽スペクトルを制御することにあります:可視光(400-700 nm)は照明のために渡されなければなりません、間近赤外線(NIR)および紫外線(紫外線)の波長は、日光に少し寄与するが熱することおよび材料の低下を引き起こします-管理される。 有効な光管理は、特定の光学コーティングによって達成され、および技術を吸収する、および技術を吸収します。 ナノスケールは、これらの性能を調節します。

主要コーティング技術

反射防止コーティング

反射防止(AR)コーティングは、表面反射を低下させ、より多くの光が窓に入ることを可能にします。 太陽窓のために、これは光起電層に達するより高い可視伝送および増加された光子の変化を意味します。 標準ARコーティングは、シリコン窒化物やマグネシウムフラオライドなどの材料の四分波干渉層を使用します。 最近の進歩は、可視スペクトル全体に広帯域反射防止を提供するナノ構造の蛾眼パターンを採用しています。 これらのコーティングは、直接日光の低下と日光の比較に比べ、光伝送を38%向上させることができます。

スペクトル選択コーティング

スペクトル選択膜は、赤外線および紫外線を反射または吸収しながら、可視光を送信するために設計されています。これは、光学フィルターとして作用する複数の薄膜スタックを使用して達成されます。例えば、絶縁金属誘電(DMD)は、インジウム酸化物(ITO)や酸化亜鉛を使用して、銀または銅層を使用して、または銅層をスタックし、NIRの90%まで反射しながら、可視伝送を得られることができます。そのようなコーティングは、内部を加熱することなく、中央に「太陽光」を生成することなく、中央にすることができます。

低放射率(低E)コーティング

低Eコーティングは、断熱のためのエネルギー効率の高い窓で既に一般的です。 太陽の窓では、それらは二重役割に役立ちます:内部と外部間の放射熱伝達を削減し、太陽熱の熱増加係数(SHGC)を管理します。 柔らかいコート低E層は、通常、銀ベースの、スパッタリングを介して堆積され、可視光伝送を可能にするときに長距離波の赤外線を反映するように調整することができます。 光起電層と組み合わせると、これらのコーティングは、夏の全体的なエネルギーのブロックと全体的なエネルギーを過剰に保つのを防ぐことができます。

太陽光発電コーティング

太陽光を直接窓面に電気に変換し、太陽光を変換する太陽光発電(PV)コーティング。これらのコーティングは、通常、非定形シリコン、カドミウムケチライド、または銅インジウムガリウムセレン化(CIGS)などの薄膜技術に基づいています。 新興ソリューションには、有機光起電(OPV)、およびペルオフスキート薄膜などの薄膜が含まれます。 特に、パーオフスキートコーティングは、太陽光透過率を20%超えるようにする、および半透明度を透過性発光する、および半透明度を変化させることができる。

コーティング開発における最近のイノベーション

ナノ構造多層設計

ナノテクノロジーは、構造的および破壊的な干渉を介して光を操作する正確に制御された厚さ(10〜200 nm)で多層コーティングの生成を有効にしました。原子層堆積(ALD)またはマグネトロンスパッタリングを使用して、研究者は複雑なスペクトル反応を達成するために、何十もの層まで積み重ねることができます。例えば、変化するチオ2とSiO2層で構成されるコーティングは、NIRのためのブラッグミラーとして機能し、透明な外観で表示することができます。このような光ファイアとPVコーティングは、このような光ファイアレイを組み合わせ、多層のコーティングを生成し、このような光ファイアレイを生成します。

セルフクリーニングコーティング

塵、土砂および生物的成長は時間上の太陽窓の性能を減らします。自己クリーニングのコーティングは光触媒か過水ophilicityを使用してこれに対処します。例えば、酸化チタン(TiO2)のコーティングは、紫外線の下で有機土を破壊し、水が均等に広がるために、残骸を洗浄する原因を破壊します。過水リン酸ポリマーかナノ構造の無水ケイ酸のrepel水に基づいてコーティングは汚れの付着を最小にします。これらのコーティングは維持費を減らし、そして一貫したPVおよび長期間の伝達を保ちます。そして長期間の信頼性はPVシステムのために、そして重要な伝達をです。

熱クロムおよび電気クロムのコーティング

温度や電気刺激に反応する適応コーティングは、研究の活性領域です。バナジウム二酸化物(VO2)に基づいている、このような熱クロムコーティング、より透明なから不透明または反射に切り替える、しきい温度に達すると、可視光を許容しながら、熱期間の間にNIRをブロックします。 酸化タングステンなどの材料を使用して、酸化物が濃くなり、小さな電圧を加えることによって要求に応じて点灯することができます。 これらのPV層を組み合わせることは、太陽光とエネルギーを最適化することができます。

コーティング開発の課題

バランスのとれた効率と透明性

太陽光発電効率と可視透明度の間に根本的なトレードオフが存在します。電力を発生させるために、PVコーティングは透過率を低下させる光子を吸収しなければなりません。20%〜50%の可視透過率と、効率性を重視する最適なバランスを実現し、吸収材の厚さ、バンガップ、光トラップの慎重なエンジニアリングが必要です。半透明のパーフスキットと量子ドットのデザインは約束を提示しますが、これらの大型窓にそれらをスケーリングすることは困難に残ります。

耐久性および天候の抵抗

太陽窓は紫外線放射、温度の循環、湿気および機械圧力に露出の年に抗しなければなりません。薄膜のコーティングは脱ラミネーション、酸化および湿気の侵入に敏感です。研究者はカプセル封入の作戦、障壁の層および寿命を拡張するべき密閉の探求しています。IEC 61646のような加速されたテスト標準は、信頼性を評価するのを助けます、現実的な性能データは多くの新興のコーティングの技術のためにまだ限られます。

美学と市場受容

建築統合のために、コーティングは視覚的に均一、色中立(または審美的にpleasing)であり、縞か無光沢から放して下さい。多層の積み重ねは望ましくないかもしれない干渉色を作り出すことができます。層の厚さを中立調子を達成するか、または特定のカラーパレットは進行中の挑戦です。建物の所有者および建築家は頻繁にエネルギー性能上の美学を優先順位付けます、従って提供するコーティングは市場採用のために必要です。

製造コストとスケーラビリティ

高性能コーティングは、真空蒸着技術(スパッタリング、蒸発、ALD)に依存し、高価で限られたスループットで処理されます。ロールツーロール処理、化学浴蒸着、インクジェット印刷はコストを削減するために開発されています。例えば、パーフスキットPV層のスロットダイコーティングは、フロートガラス生産と互換性のある速度でガラス基板に実証されています。大規模な領域(例えば、1.5 m x 2 m)以上のウィンドウで一貫した品質を達成することは、商業的な変化や機能的な変化のための重要な変化はありません。

今後の方向性

多機能コーティング

究極の目標は、照明管理、エネルギー生成、熱制御、セルフクリーニング、および1つのコーティングスタックに、すべての必要な機能を統合することです。 研究は、スペクトル選択フィルター、半透明のパーホフスキートセル、反射防止層、およびセルフクリーニング式のトップコートを組み合わせた「オールインワン」デザインに向けて動きます。 このようなコーティングは、製造を簡素化し、耐久性を向上させるインターフェイスの数を減らすことができます。 初期のプロトタイプは、取引の最適化が最小限に抑えられるように、光学性能を保ちます。

建築エネルギーシステムとの統合

将来のソーラーウィンドウは、スマートビルディングエネルギー管理システムの一部である可能性があります。 組み込みセンサーとマイクロコントローラは、周囲の光、占有率、およびグリッドの需要に基づいて、電気クロミックコーティングを調整することができます。 発電された電気は、直接、電気クロミックスイッチングに電力を供給し、自己規制の窓を作成します。 さらに、ビル統合光起電(BIPV)基準とインセンティブは、EUの建設指令(EPBD)およびカリフォルニアのタイトルのEUのエネルギー性能などの採用を奨励するために開発されています。

素材・コンセプトの融合

次世代コーティングは量子ドット、石膏ナノ粒子、および光子結晶を悪用して、サブ波長スケールで光を操作することができます。例えば、誘電マトリックスに銀ナノロッドを埋め込むと、可視透明を維持しながら、NIRのための偏光性吸収剤を作成できます。レイヤドダブルパーフスキとMoS2のような2次元材料は、安定した鉛フリーの光起のために探求されています。機械学習は、また、多層設計から数か月間、設計を最適化するために使用されています。

コンテンツ

先進的なコーティングは、太陽窓を持続可能な建物の実用的で魅力的なコンポーネントにするための鍵盤です。 慎重に太陽スペクトルを管理することにより、これらのコーティングは、エネルギー生成、熱的快適性、および単一のガラス製品で自然の日光浴を可能にします。 耐久性、コスト、美学の課題は、ナノテクノロジー、適応材料、およびファサード製造プロセスの急速な進歩は、ソーラーウィンドウが二重ガラスとして共通である未来に向けます。 再生可能エネルギー研究所(LT:FLT:F)とエネルギーを、およびエネルギープラントを拡張する[F]を、およびエネルギーを削減する]。

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

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