Διαφανή ηλιακά πετάσματα μετατρέπουν τα παράθυρα σε συλλέκτες πράσινης ενέργειας

Η αξιοποίηση των γυάλινων επιφανειών για μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρισμό με τη χρήση διάφανων ηλιακών πετασμάτων, θα μπορούσε να μετατρέψει τα παράθυρα σε συλλέκτες πράσινης ενέργειας και να συμβάλλει στην επίτευξη του στόχου της μηδενικής κατανάλωσης ενέργειας των κτιρίων.
Η εκμετάλλευση των όψεων των κτιρίων για παραγωγή πράσινης ενέργειας βρίσκεται στο επίκεντρο διαφόρων επιστημονικών ερευνών τα τελευταία έτη. Ειδικά στην περίπτωση των γυάλινων πολυώροφων κτιρίων, όπου οι κατακόρυφες επιφάνειες είναι πολύ μεγαλύτερες συγκριτικά με την επιφάνεια της οροφής, η μετατροπή των υαλοστασίων σε ηλιακούς συλλέκτες θα μπορούσε να παίξει πολύ σημαντικό ρόλο στην ενεργειακή τους διαχείριση.
Έως σήμερα οι εμπορικά διαθέσιμες διατάξεις συλλογής ηλιακής ενέργειας, γνωστές ως ηλιακά κύτταρα ή κελιά (solar cells), που μετατρέπουν την προσπίπτουσα ηλιακή ενέργεια σε ηλεκτρική μέσω του φωτοβολταϊκού φαινομένου, χρησιμοποιούν πυρίτιο που δεν χαρίζει διαφάνεια, με αποτέλεσμα να μην μπορούν να εφαρμοστούν σε υαλοπίνακες. Τα τελευταία έτη, πολλές πανεπιστημιακές έρευνες στοχεύουν στην ανάπτυξη διάφανων ηλιακών κυττάρων ουδέτερου χρώματος (transparent solar cells - TSCs), που θα επεκτείνουν τη χρήση τους σε αρχιτεκτονικές και άλλες εφαρμογές.
Μια ομάδα ερευνητών από το πανεπιστήμιο του Michigan State University (MSU) κατάφερε να αναπτύξει εντελώς διαφανή ηλιακά πετάσματα, κατασκευάζοντας έναν καινοτόμο ηλιακό συλλέκτη, που μπορεί να τοποθετηθεί επάνω σε διαφανείς επιφάνειες, χωρίς να επηρεάζει τη μετάδοση του φωτός. Το πέτασμα χρησιμοποιεί οργανικά μόρια που απορροφούν μήκη κύματος φωτός, μη ορατά στο ανθρώπινο μάτι, όπως η υπέρυθρη και η υπεριώδης ακτινοβολία. Η ακτινοβολία που συλλέγεται, μεταφέρεται κατόπιν στο πλαίσιο του πετάσματος, όπου με τη χρήση λεπτών λωρίδων φωτοβολταϊκών κυττάρων, μετατρέπεται σε ηλεκτρισμό. Προς το παρόν η τεχνολογία έχει χαμηλή απόδοση, γύρω στο 1%, αλλά η ομάδα εργάζεται με στόχο την αύξηση της γύρω στο 5%.
Ένα βήμα πιο κοντά στο στόχο, έχουν έρθει ερευνητές στο University of Michigan. Η ομάδα ανέπτυξε ένα υλικό, που παρέχει ταυτοχρόνως καλή ηλιακή απορρόφηση, υψηλή τάση ρεύματος, χαμηλή αντίσταση και διαφάνεια ουδέτερου χρώματος. Το νέο υλικό αποτελείται από ένα συνδυασμό οργανικών μορίων που απορροφούν την υπέρυθρη ακτινοβολία. Επιπλέον, οι ερευνητές ανέπτυξαν οπτικά επιχρίσματα για ενίσχυση της ισχύος που παράγεται από το υπέρυθρο φως, χωρίς να χάνεται η διαφάνεια στην ορατή περιοχή, δύο παράγοντες που συνήθως ανταγωνίζονται ο ένας τον άλλο. Αν και τα κύτταρα έχουν μια ελαφριά πρασινωπή απόχρωση, θυμίζουν περισσότερο το γκρι των γυαλιών ηλίου ή των παραθύρων των αυτοκινήτων. Για την αρχική έκδοση της διάταξης χρησιμοποιήθηκαν ηλεκτρόδια από οξείδιο ίνδιου, που πέτυχε απόδοση 3,5%, ενώ μια δεύτερη έκδοση με ηλεκτρόδια αργύρου ανέβασε την απόδοση στο 5%. Και οι δύο εκδοχές μπορούν να κατασκευαστούν σε μεγάλη κλίμακα, με τη χρήση υλικών που είναι λιγότερο τοξικά σε σχέση με άλλα διαφανή ηλιακά κύτταρα, ενώ μπορούν να εξατομικευτούν ανάλογα με το γεωγραφικό πλάτος της εφαρμογής και να τοποθετηθούν μεταξύ υαλοπινάκων με διπλά τζάμια. Η μελέτη της ομάδας συνεχίζεται με στόχο τη βελτίωση της απόχρωσης, την αύξηση της αποδοτικότητας στο 7% και την επέκταση του χρόνου ζωής των κυττάρων στα 10 έτη.
Σε μια άλλη έρευνα στο πανεπιστήμιο UNIST στη Ν. Κορέα, η επιστημονική ομάδα εστίασε στην ευελιξία της μορφής, καταφέρνοντας να κατασκευάσει κύτταρα ουδέτερου χρώματος και υψηλής απόδοσης, που μπορούν να προσαρμοστούν ακόμη και σε καμπύλες επιφάνειες. Για να επιτευχθεί αυτό, οι επιστήμονες ενσωμάτωσαν ράβδους πυριτίου σε ένα ευέλικτο και διάφανο πολυμερικό υλικό. Οι ράβδοι, που λειτουργούν ως μια φωτοενεργή στρώση, διατάσσονται έτσι ώστε να μην είναι ορατοί στο ανθρώπινο μάτι. Όταν το φως εισέρχεται ανάμεσα στο πολυμερές υλικό και στις ράβδους, το ηλιακό φως απορροφάται και παράγεται ηλεκτρισμός, χωρίς να χαθεί η διαφάνεια. Το σύστημα μάλιστα βασίζει τη λειτουργία του στις αρχές της ανακύκλωσης, ώστε να μεγιστοποιείται η απόδοση, καθώς είναι σχεδιασμένο έτσι ώστε το φως που ανακλάται από την κορυφή της κάθε ράβδου, να απορροφάται από την επόμενη. Το ηλιακό κύτταρο αναμένεται να διατηρεί την αρχική του απόδοση επάνω από 95%, ακόμη και έπειτα από δεκάδες δοκιμές κάμψης.