Μία καινοτόμος «πράσινη» και βιώσιμη τεχνολογία, που περιγράφεται σε μια δημοσίευση στο επιστημονικό περιοδικό «Advanced Energy Materials», βοηθά στη μετατροπή των κτιρίων σε γεννήτριες ενέργειας, τόσο κατά τη διάρκεια της ηλιοφάνειας όσο και τη νύχτα αλλά και στις συννεφιασμένες ημέρες.
Το μυστικό της είναι η μετατροπή της επιφάνειας των απλών παραθύρων σε πράσινα και βιώσιμα «ηλιακά» παράθυρα τα οποία συλλέγουν ενέργεια από τον ήλιο αλλά και από τον εσωτερικό φωτισμό! Ερευνητική ομάδα του Πανεπιστημίου University College London κατασκεύασε ηλιακά παράθυρα που αφήνουν να περάσει το 30% του ηλιακού φωτός, την ώρα που το συνηθισμένο γυαλί αφήνει να περάσει το 80% ή το 90%. Παράλληλα, τα παράθυρα αυτά παράγουν ποσότητα -ρεκόρ ενέργειας από τον εσωτερικό φωτισμό, ενώ μπορούν και συλλέγουν αποτελεσματικά ενέργεια και από την ηλιακή ακτινοβολία.
Πρότζεκτ με εκτεταμένη χρηματοδότηση
Το έργο υποστηρίχθηκε από το Ινστιτούτο Προηγμένων Υλικών Henry Royce. Η ερευνητική ομάδα έλαβε χρηματοδότηση από το Συμβούλιο Έρευνας Μηχανικής και Φυσικών Επιστημών (EPSRC) του Ηνωμένου Βασιλείου και το Υπουργείο Ενεργειακής Ασφάλειας και Μηδενικών Εκπομπών, καθώς και από το Πανεπιστήμιο UCL, το Βρετανικό Συμβούλιο και το Πανεπιστήμιο South Bank του Λονδίνου.
Τα παράθυρα των σύγχρονων κτιρίων μετατρέπονται σε ενεργειακό πόρο
Ο επικεφαλής συγγραφέας Δρ. Μοτζάμπα Αμπντί Τζαλέμπι από το Ινστιτούτο Ανακάλυψης Υλικών του UCL, εξηγεί: «Οι στέγες συνήθως είναι εξοπλισμένες με ηλιακούς συλλέκτες, αλλά η τεράστια αθροιστικά έκταση των παραθύρων πολλών σύγχρονων κτιρίων παραμένει σε μεγάλο βαθμό ανεκμετάλλευτη ως ενεργειακός πόρος έως σήμερα. Στη μελέτη μας, δείξαμε ότι είναι δυνατό να διατηρήσουμε το παράθυρο διαφανές, ώστε να μπορεί να περνάει το φως, διατηρώντας παράλληλα την απόδοση των ηλιακών κυψελών. Το επόμενο βήμα είναι η κατασκευή εύκαμπτων ηλιακών κυψελών που μπορούν να εφαρμοστούν σε καμπυλωτές κατασκευές όπως είναι τα παράθυρα στον εμβληματικό ουρανοξύστη Shard του Λονδίνου (το ψηλότερο κτίριο της Αγγλίας, με 95 ορόφους) ή σε αυτοκίνητα, καθώς και σε εύπλαστες επιφάνειες όπως ρούχα ή σακίδια πλάτης. Θα θέλαμε επίσης να κατασκευάσουμε ηλιακά κύτταρα σε μεγαλύτερες κλίμακες από αυτές που πετύχαμε σε αυτή τη μελέτη.
«Το μακροπρόθεσμο όραμα είναι να γίνουν τα ημιδιαφανή φωτοβολταϊκά τόσο εύκολα στην ενσωμάτωση όσο μια μεμβράνη παραθύρου. Καθώς η τεχνολογία ωριμάζει, αυτές οι συσκευές θα μπορούσαν ενδεχομένως να εξελιχθούν σε εύκαμπτες μεμβράνες που μπορούν να εφαρμοστούν απευθείας σε κρύσταλλα οχημάτων, ηλιοροφές και άλλες διαφανείς επιφάνειες για την παραγωγή καθαρής ηλεκτρικής ενέργειας χωρίς σημαντικές δομικές αλλαγές» πρόσθεσε.
Τα νέου τύπου ηλιακά παράθυρα εξοικονομούν την ενέργεια που απαιτείται για την ψύξη των κτιρίων
Ο επικεφαλής συγγραφέας Σίμινγκ Χουάνγκ διδακτορικός φοιτητής στο Ινστιτούτο Ανακάλυψης Υλικών του UCL, προσθέτει: «Ένα άλλο πλεονέκτημα αυτής της τεχνολογίας είναι ότι, αποκρύπτοντας μέρος του ηλιακού φωτός, λειτουργεί με τον ίδιο τρόπο όπως τα φιμέ παράθυρα, εξοικονομώντας ένα μέρος της ενέργειας που απαιτείται για να διατηρείται το κτίριο δροσερό. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό στις θερμότερες περιοχές του πλανήτη που χρησιμοποιούν υψηλό ποσοστό ενέργειας για κλιματισμό».
Τα ηλιακά παράθυρα διαθέτουν ένα στρώμα περοβσκίτη με πάχος 185 nm
Για τη δημιουργία των ηλιακών παραθύρων, η ομάδα χρησιμοποίησε ένα υλικό που ονομάζεται «περοβσκίτης» το οποίο χρησιμοποιείται όλο και περισσότερο σε εξωτερικούς ηλιακούς συλλέκτες. Το υλικό αυτό σε αντίθεση με τους παραδοσιακούς ηλιακούς συλλέκτες με βάση το πυρίτιο, έχει τη δυνατότητα να παράγει ενέργεια από τον φωτισμό εσωτερικών χώρων, καθώς η σύνθεσή του μπορεί να ρυθμιστεί ώστε να απορροφά καλύτερα τα συγκεκριμένα μήκη κύματος του φωτός εσωτερικών χώρων.
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν υπολογιστική μοντελοποίηση για να προσδιορίσουν την καλύτερη διάταξη και πάχος των στρωμάτων στο ηλιακό κύτταρο, διατηρώντας τόσο τη διαφάνεια όσο και την αποδοτικότητα.
Με βάση αυτή τη μοντελοποίηση, κατασκεύασαν ένα στρώμα περοβσκίτη - το στρώμα που απορροφά το φως - με πάχος 185 νανόμετρα. Για να γίνει αντιληπτό αυτό το μέγεθος αρκεί να σκεφτούμε ότι το πάχος αυτό είναι περίπου 500 φορές λεπτότερο από μια ανθρώπινη τρίχα μαλλιών. Στα τυπικά ηλιακά κύτταρα, το στρώμα περοβσκίτη είναι τρεις ή τέσσερις φορές παχύτερο.
Επιπλέον, οι ερευνητές πρόσθεσαν ένα χημικό μόριο (την 3-τριφθορομεθυλ-1Η-1,2,4-τριαζόλη) που μείωσε τις «ατέλειες» στον περοβσκίτη, γνωστές ως «παγίδες», οι οποίες μπορούν να προκαλέσουν την προσκόλληση ηλεκτρονίων πριν αξιοποιηθεί η ενέργειά τους. Αυτό το μόριο βοήθησε επίσης στη σταθεροποίηση της κρυσταλλικής δομής του περοβσκίτη, αποτρέποντας την υποβάθμιση της με την πάροδο του χρόνου.
Επιπλέον, οι ερευνητές κατασκεύασαν ένα διαφανές ηλεκτρόδιο. Στα ηλιακά κύτταρα από περοβσκίτη, το ηλεκτρόδιο (δηλαδή το μέρος που άγει το ηλεκτρικό ρεύμα έξω από το στοιχείο) είναι συνήθως κατασκευασμένο από χρυσό και μπλοκάρει το φως. Για να κάνουν το ηλεκτρόδιό τους πιο διαφανές, η ομάδα τοποθέτησε ένα λεπτό στρώμα χρυσού ανάμεσα σε δύο διαφανή στρώματα οξειδίου του μολυβδαινίου, το οποίο βοήθησε το φως να περάσει μέσα από τον χρυσό, μειώνοντας την αντανάκλαση.
Η ομάδα κατασκεύασε ένα πάνελ 30 cm επί 30 cm και διαπίστωσε ότι τα ηλιακά κύτταρα μπορούσαν να μετατρέψουν το 22% του έντονου εσωτερικού φωτός (1000 lux) σε ηλεκτρική ενέργεια, καθώς και το 14% του ηλιακού φωτός. Επίσης διαπίστωσαν ότι η γυμνή συσκευή διατήρησε το 80% της απόδοσής της σε διάστημα 300 ωρών συνεχούς έκθεσης στο φως, σε μια τυπική δοκιμή, δείχνοντας ότι ήταν ανθεκτική με την πάροδο του χρόνου.
