Наука управління світлом в сонячній Windows

Сонячні вікна представляють собою прорив в вбудованій фотоелектриці (BIPV), що дозволяє звичайні скляні поверхні для створення електроенергії при збереженні природного освітлення. Завдання полягає в контролінгу сонячного спектра: видиме світло (400–700 нм) необхідно пройти через освітлення, при цьому поблизу інфрачервоного (NIR) і надфіолету (UV) довжини хвилі - які сприяють малому денному освітленню, але викликати нагрівання і деградацію матеріалу -зберігати. Ефективне управління освітлення досягається завдяки спеціалізованим оптичним покриттям, що вибірково передаваються, відображають або поглинають певні діапазони хвиль. Ці покриття інженеруються на нанорозмірних фотонах, що маніпулюють енергоефективність, що забезпечують ефективність перетворення енергії з урахуванням енергії.

Ключові технології покриття

Антирефективні покриття

Антирефлективні (AR) покриття зменшують поверхневі відбиття, що дозволяють більш легко ввести вікно. Для сонячних вікон це означає більш високу видиму передачу і збільшену фотон флюкс, що досягається фотоелектричний шар. Стандартні AR покриття використовують щоквартальні перешкоди шарів матеріалів, таких як нітрид кремнію або магнію фтор. Останні досягнення використовують наноструктуровані мотое моделі, які забезпечують широке ураження від пошкоджень через весь видимий спектр. Ці покриття можуть підвищити світлову передачу на 3–8% порівняно з неоціненним склом, безпосередньо покращуючи як денне світло і сонячну продуктивність.

Спектрально вибіркові покриття

Спектрально вибіркові покриття призначені для передачі видимого світла під час відображення або поглинання інфрачервоного і ультрафіолетового випромінювання. Це здійснюється за допомогою декількох тонко-фільтрових стеків, які діють як оптичні фільтри. Наприклад, діелектро-метал-диелектричних (ДДД) стеків з використанням срібла або мідних шарів, сендвічованих між прозорими оксидами, такими як оксид натрію (ITO) або оксид цинку може досягати видимої передачі >70% при відображенні до 90% НІК. Такі покриття є центральним для створення «холодних» сонячних вікон, які генерують електрику без перегріву внутрішніх просторів.

Низькоемісивність (Low-E) Покриття

Низькое покриття вже поширені в енергоефективних вікнах для теплоізоляції. У сонячних вікнах вони служать подвійною роллю: зменшення променевого теплопередачі між інтер'єром і зовнішнім виглядом, управління коефіцієнтом сонячного теплого нагріву (ШГК). М'які кози низькое шари, як правило, срібні на основі, відкладаються за допомогою запобіжної і можуть бути налаштовані для відображення довгохвильового інфрачервоного, дозволяючи видимим світлопередачам. При поєднанні з фотоелектричними шарами ці покриття запобігають нагріву від засмаги взимку і блокують надлишки сонячного тепла влітку, покращуючи загальний енергетичний баланс вікна.

Фотоелектричні покриття

Фотоелектричні (PV) покриття перетворюють сонячні промені безпосередньо в електрику на поверхні вікна. Ці покриття зазвичай базуються на тонко-фільтрових технологіях, таких як аморфний кремній, кадмій катамід, або мідь аллієвий селен (CIGS). Вживання розчинів включають органічні фотоелектричні (ОПВ), барвник-сенсорні сонячні клітини (DSSC), і перовські тонкі плівки. Перовські покриття, зокрема, досягали ефективності перетворення енергії, що перевищують 20% при підтримці часткової прозорості через товщину управління і композиційне будівництво. Кванне покриття для куплення пропонують нездатні зв'язки, що дозволяють вибрати видиме покриття NIR

Останні інновації в розробці когенераційних технологій

Наноструктуровані багатошарові конструкції

Нанотехнології дозволило створення багатошарових покриттів з точно керованими товщинами (10–200 нм), які маніпулюють світло через конструктивні та деструктивні втручання. Використання атомічного шару розкладання (ALD) або магнітного розпилення, дослідники можуть укладати до десятків шарів для досягнення складних спектральних відповідей. Наприклад, покриття, що складається з чергування TiO2 та SiO2 шарів може виступати як дзеркало Bragg для NIR, при цьому прозоро у видимому вигляді. Комбінування таких оптичних стеків з тонкоплотими шарами ПВ створює багатофункціональне покриття, яке збирає сонячну енергію, контролює теплооб'єднання, забезпечує антивідбиття.

Самоочищення покриття

Пил, обсадка, і біологічне зростання зменшують продуктивність сонячних вікон з часом. Самоочищення покриттів звертати увагу на це за допомогою фотокаталізу або надгідрофільної. Покриття титану (ТіО2), наприклад, розбити органічні бруд під УФ-світом і викликати воду, щоб рівномірно розкласти, промиваючи сміття. Надгідрофобні покриття на основі фторованих полімерів або наноструктурованих кремнезему і мінімізації брудної адгезії. Ці покриття зменшують витрати на обслуговування і допомагають підтримувати послідовну світлову передачу і виходу ПВ, що є критичним для довгострокової надійності системи.

Термохромні та електрохромні покриття

Адаптивні покриття, які відповідають температурі або електричним стимулям, є активним районом дослідження. Термохромні покриття, такі як ванільний діоксид (VO2), перемикач від прозорого до опаку або рефлексивного при досягненні порогової температури, блокує NIR в гарячих періодах, дозволяючи видимим світлом. Електрохромні покриття, використовуючи матеріали, такі як вольфрам оксид, можуть бути затемні або освітлені на вимогу, застосовуючи невелику напругу. Інтеграція цих з ПВ шарами створює розумні сонячні вікна, які можуть динамічно оптимізувати управління освітленням, покращуючи як енергію покоління і внутрішній комфорт.

Виклики розвитку когенерації

Блансеризація та прозорість

Основою торгово-офісної роботи є між фотоелектричної ефективністю і видимою прозорістю. Для створення електрики, ПВ покриття необхідно поглинати фотони, які, властиво, зменшує передачу. Досягнення оптимального балансу - так само з видимим передаванням між 20% і 50% і розумною ефективністю -потрібно ретельне будівництво глибин поглиначої товщини, смугапа і світло-розкладки. Напівпрозорі перовські і квантові конструкції показують обіцянку, але масштабування цих для великих вікон залишається складним.

Надійність та надійність

Сонячні вікна повинні витримати багаторічний вплив УФ-випромінювання, температурний велосипед, вологість та механічний стрес. Покриття тонкого шару схильні до розкриття, окислення та вологи. Дослідники досліджуються стратегії акпсуляції, бар'єрних шарів та герметиків для продовження термінів життя. Прискорені стандарти випробувань, такі як IEC 61646, допомагають оцінити надійність, але реальні результативності даних все ще обмежені для багатьох технологій покриття.

Астетика та ринкова ацепція

Для архітектурної інтеграції, покриття повинні бути візуально однорідними, кольоровими (або естетично привабливими), і безкоштовно від струкінгу або райдужності. Багатошарові стеки можуть виробляти інтерференційні кольори, які можуть бути небажаними. Товщина шару для досягнення нейтральної тони або специфічної колірної палітри є постійним викликом. Власники будівель і архітектори часто передують естетиці над енергетичною продуктивністю, тому покриття, які пропонують як для прийняття ринку.

Вартість виробництва та масштабованість

Високопродуктивні покриття часто спираються на вакуумні засоби відкладення (покриття, випаровування, ALD), які є дорогими і обмеженими в пропускній здатності. Обробка рулонів, хімічна депозиція ванни, і друк струменевих виробів розроблені для зменшення витрат. Наприклад, щільне покриття перовських шарів ПВ показали на скляних підкладках зі швидкістю, сумісних з виробництвом float скла. Досягнення послідовної якості над великими ділянками (наприклад, 1,5 м × 2 м вікна) без щілин або товщинних варіацій є критичним для комерційної життєздатності.

Майбутні напрямки

Багатофункціональні покриття

Кінцева мета полягає в інтеграції всіх необхідних функцій— управління освітленням, генерації енергії, термоконтролю, самоочищення та естетики — в єдиний укладний стек. Дослідження переміщаються в дизайнах «все-в-одному», які об'єднують спектрально-елективний фільтр, напівпрозорий перовкитний елемент, антивідновний шар, а самоочищаючий топкоат. Такі покриття спростять виготовлення та зменшують кількість інтерфейсів, покращуючи довговічність. Ранні прототипи показали, що обережний оптичний відповідність між шарами може зберегти продуктивність при мінімізації торгових точок.

Інтеграція з системами енергоблокування

Сонячні вікна майбутнього, ймовірно, будуть частиною систем інтелектуального побудови енергії. Вбудовані датчики та мікроконтролери можуть регулювати електрохромні покриття на основі навколишнього світла, непрограшності та вимог до сітки. Електроенергія, що генерується, може безпосередньо електрохромний комутації, створюючи саморегулюючі вікна. Крім того, розроблені вбудовані фотоелектричні (BIPV) стандарти та стимули, які розроблені для стимулювання прийняття, такі як енергетична продуктивність будівель Директива (EPBD) та Каліфорнія Назва 24 вимоги.

Актуальні питання та концепції

Покриття післягенерації можуть використовувати квантові точки, плазмонічні наночастинки, а фотонічні кристали для маніпуляції світла на підхвильових шкалах. Наприклад, тиснення срібних нанородів в діелектричні матриці може створювати полярні чутливі поглинаючі для NIR, зберігаючи видиму прозорість. Шаровані подвійні перовки і двовимірні матеріали, такі як MoS2, що досліджуються для стабільної, без свинцевої фотоелектрики. Машинне навчання також використовується для оптимізації багатошарових конструкцій покриття, зменшення часу розвитку з місяців до днів.

Висновок

Поглиблені покриття є ключовими для виготовлення сонячних вікон практичний і привабливий компонент стійкого будівництва. Докладно управління сонячним спектром, ці покриття дозволяють генерувати енергію, тепло комфорт і природний денне освітлення в одноглазному продукті. Під час проблем з міцністю, вартістю і естетикою залишаються, швидким прогресом в нанотехнології, адаптивних матеріалів, і виробничих процесів точок до майбутнього, де сонячні вікна є як загальними, як подвійне глазурування. Дослідники в таких установах, як Національна лабораторія відновлюваної енергії (NREL) і Massachusetts Institute of Technology[F3][F3 може бути розподілені емісні викиди:][F3[F3][F3][F3][F3][F2:][F2:][F3][F2:][F2:][F2:][F2:][F1][F2:][FLT][F2][F2]

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

]