Kolorowe elewacje zasilają słoneczne budynki przyszłości
Według powszechnie znanych danych, budynki w Unii Europejskiej są obecnie odpowiedzialne za 36 % emisji gazów cieplarnianych. Lepsze wykorzystanie energetyki słonecznej dzięki rozwojowi bardziej wydajnej technologii fotowoltaicznej pozwoli na ograniczenie wpływu terenów zabudowanych na środowisko, a jednocześnie przyczyni się do realizacji celów Unii Europejskiej w zakresie osiągnięcia neutralności klimatycznej do roku 2050. Zespół projektu PEDAL podjął szereg konkretnych kroków ukierunkowanych na realizację tych założeń i opracował innowacyjne rozwiązania, które pozwoliły nie tylko na zwiększenie efektywności energetycznej urządzeń fotowoltaicznych, ale także znaczące poprawienie ich wyglądu. Finansowany przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych (ERBN) projekt skupiał się na dwóch rodzajach urządzeń – luminescencyjnych koncentratorach słonecznych oraz cienkich warstwach zwiększających spektrum absorpcji światła. Oba te rozwiązania gromadzą energię słoneczną dzięki cienkim warstwom materiałów, które mogą zostać wykorzystane do wykończenia elewacji budynku bądź zastosowane zamiast przeszkleń. W ramach realizowanych badań badacze przyglądali się bliżej, w jaki sposób interakcje plazmoniczne pomiędzy nanocząstkami i materiałami luminescencyjnymi w postaci kropek kwantowych oraz barwników mogą przekładać się na wzrost efektywności energetycznej i sprawności tych urządzeń.
Rozwój istniejących technologii ogniw fotowoltaicznych
W przypadku cienkich warstw zwiększających spektrum absorpcji światła dzięki oddziaływaniom plazmonicznym (PLDS), wysokoenergetyczne fotony, które nie są efektywnie wykorzystywane przez istniejące moduły fotowoltaiczne, są konwertowane w celu uzyskania mniejszej ilości energii. Dzięki takiemu rozwiązaniu większa ilość fotonów może być przetwarzana z większą efektywnością na energię elektryczną przy pomocy wielu technologii. Warstwy PLDS są połączone bezpośrednio z ogniwami fotowoltaicznymi, na których są zainstalowane. Z kolei w przypadku wykorzystujących oddziaływania plazmoniczne luminescencyjnych koncentratorów słonecznych (PLSC) można zaobserwować większe skupienie rozproszonych promieni słonecznych, dzięki czemu mogą być zbierane przez istniejące moduły z większą sprawnością. Fotony są skupiane na krawędzi urządzenia PLSC, gdzie są przetwarzane na energię elektryczną. „W wyniku naszych prac powstał pierwszy w historii plazmoniczny luminescencyjny koncentrator słoneczny oraz moduł z warstwą PLDS. Następnie oba te rozwiązania zostały poddane szeregowi testów w rzeczywistych warunkach pogodowych, w tym w ramach integracji w elewacji budynku”, mówi Sarah McCormack, adiunktka Trinity College w Dublinie. „Opracowany przez nasz zespół moduł koncentratora był w stanie skutecznie gromadzić rozproszone promieniowanie słoneczne, dzięki czemu udało się osiągnąć sprawność przekraczającą dwunastokrotnie wyniki osiągane przez panele fotowoltaiczne, które nie były wyposażone w nasze rozwiązania”. Zespół projektu PEDAL opracował także kompleksową metodologię produkcji urządzeń oraz stymulowania oddziaływań plazmonicznych pomiędzy nanocząstkami metali i materiałem luminescencyjnym. Opracowali także model matematyczny pozwalający na optymalizację tych oddziaływań. Oba urządzenia mogą być stosowane jako kolorowe elementy budynków – zarówno przezroczyste, jak i nieprzezroczyste.
Duży potencjał rynkowy
Możliwość połączenia tej nowatorskiej technologii z istniejącymi urządzeniami wykorzystującymi ogniwa fotowoltaiczne wiąże się z dużym potencjałem komercjalizacji oraz wykorzystania jej na szeroką skalę. Jak wyjaśnia McCormack, osiągnięcie tego celu będzie wymagało jednak opracowania procesu produkcji na dużą skalę. Proces ten obejmie komercyjną syntezę nanocząstek metali przy użyciu metodologii opracowanej przez zespół projektu PEDAL. „Planujemy nawiązać współpracę z organizacją rządową Enterprise Ireland, aby nadal rozwijać naszą technologię. Zamierzamy także zwrócić się z wnioskiem o finansowanie opracowania prototypów, które pozwolą nam na komercjalizację tych urządzeń”, dodaje badaczka. McCormack oraz jej współpracownicy nieustannie pracują nad usprawnieniem tej technologii. Skupiający 14 partnerów projekt IDEAS, którego konsorcjum zajmuje się integracją technologii fotowoltaicznych w budynkach, opiera się częściowo na rezultatach projektu PEDAL. Ten zakrojony na szeroką skalę finansowany ze środków Unii Europejskiej projekt wykorzystuje technologię PLDS w komponencie zintegrowanym z budynkiem, którego prototypy są obecnie instalowane na budynkach w Irlandii oraz we Włoszech.
Słowa kluczowe
PEDAL, efektywność energetyczna, technologia fotowoltaiczna, luminescencyjne koncentratory słoneczne, zwiększanie spektrum absorpcji światła, oddziaływania plazmoniczne, kropki kwantowe, PLDS, PLSC, ogniwa fotowoltaiczne
