Casele și clădirile de biroruri reprezintă 75% din consumul de energie electrică din Statele Unite și 40% din consumul total de energie. Cea mai mare problemă o constituie ferestrele deoarece acestea sunt locurile unde există pierderi de energie, însă, potrivit Laboratorului Național de Energii Regenerabile din SUA, acestea sunt totodată și soluția pentru diminuarea consumului de energie.
În trecut, cercetătorii din domeniul științei materialelor au încorporat filme absorbante de lumină în geamurile din sticlă. Dar aceste ferestre solare au tendința de a avea o nuanță roșiatică sau brună, pe care arhitecții o consideră de neacceptat. Noile tehnologii au adus însă îmbunătățiri și au creat ferestre solare care reușesc să absoarbă aproape invizibil ultraviolete (UV) sau lumină infraroșie.
Acest lucru lasă sticla clară în timp ce blochează radiațiile UV și infraroșii care în mod normal pătrund prin ea, uneori furnizând căldură nedorită. Prin reducerea acumulării de căldură în timp ce generează energie, ferestrele „au perspective uriașe”, inclusiv posibilitatea ca o clădire de birouri mare să se poată furniza energie, spune Lance Wheeler, expert în energia solară din cadrul Laboratorului.
Cele mai multe celule solare, cum ar fi celulele siliconice cristaline standard care domină industria, sacrifică transparența pentru a-și maximiza eficiența și pentru procentul de energie în lumina soarelui transformată în energie electrică. Cele mai bune celule de silicon au o eficiență de 25% de convertire a luminii soarelui în electricitate. Între timp, o nouă clasă de materiale solare opace, numită ”perovskit”, asemănătoare siliconului cu o eficiență maximă de 22%. Nu numai că perovskitul este mai ieftin decât siliconul, dar poate fi reglat și pentru a absorbi frecvențele specifice ale luminii prin reglarea rețetei chimice a acestora.
Perovskitul este un material cu o structură cristalină, cu un potențial ridicat de a întrece în popularitate siliconul – momentan cel mai folosit semiconductor în aplicarea de celule solare la nivel mondial.
Perovskitul – viitorul pentru panourile solare ieftine și eficiente
O echipă condusă de Richard Lunt, inginer chimist de la Universitatea de Stat din Michigan, din East Lansing, a raportat luna trecută în revista Joule, că a reglat materialele pentru a dezvolta o fereastră solară care absoarbe UV cu o eficiență de 0,5% folosind perovskite-ul. Deși acest procent este mai mic decât eficiența celor mai bune celule perovskite, Lunt spune că este suficient de mare pentru a dezvolta o altă tehnologie de ferestre: sticlă care se întunecă la cerere și care oprește lumina intensă în căldura zilei, reducând astfel necesitatea aerului condiționat din clădiri de aer. Lunt consideră că echipa sa area găsit un mod sigur pentru a obține o eficiență de 4% în următorii câțiva ani. La acea rată, celulele pot să aprovizioneze o parte din iluminatul și aerul condiționat al clădirii.
La celălalt capăt al spectrului se află lumina infraroșie, care lovește suprafața Pământului mai intens decât lumina UV și poate genera mai multă energie electrică. Anul trecut, în Nature Energy, echipa lui Lunt a raportat că a făcut celule transparente, care absorb lumina UV și infraroșu cu o eficiență de 5%, folosind panouri „fotovoltaice” organice – o peliculă subțire de semiconductori organici și metale. Lunt spune că sistemele viitoare care folosesc perovskitul pentru a captarea luminii din produselor organice ar putea atinge o eficiență de 20%, fiind în același timp aproape în întregime transparente.
O a treia abordare a ferestrelor solare transparente se bazează pe așa-numitele concentratoare solare luminescente
În aceste ferestre, punctele cuantice, care sunt mici particule semiconductoare, absorb lumina la frecvențele UV și infraroșu și o transmit din nou la lungimile de undă pe care le captează celulele solare tradiționale. Lumina re-emisă este concentrată și aruncată lateral, prin sticlă, spre benzi de celule solare încorporate în cadrul ferestrei. Deoarece punctele cuantice sunt ieftine și doar o cantitate mică de celule solare este necesară pentru a capta lumina re-emisă, aceste ferestre solare promit să fie ieftine. În plus, celulele solare funcționează mai bine sub lumină intensă și concentrată. Deja aceste ferestre au atins o eficiență de 3,1%, potrivit lui Victor Klimov, un chimist la Laboratorul Național Los Alamos, și colegii săi care au raportat acest lucru în revista Nature Photonics din ianuarie.
Nu ignorați încă ferestrele semitransparente, spune Michael McGehee, expert la ferestre solare și perovskite la Universitatea Stanford din Palo Alto, California. Anul trecut, de exemplu, Departamentul de Energie al SUA a acordat 2,5 milioane de dolari companiei Next Energy Technologies din Santa Barbara, California, pentru a-și perfecționa ferestrele cu celule solare organice semitransparente. Compania a atins o eficiență de 7%, cu ferestre care absorg jumătate din lumina soarelui care le lovește, inclusiv lumină vizibilă. Acest lucru le întunecă în comparație cu o sticlă clară, dar deoarece absorb lumină de pe spectru, mai degrabă decât la anumite frecvențe, ele nu iau nuanța roșie sau maronie.
„Se pare că o fereastră care absoarbe aproximativ jumătate din lumina în întreg spectrul vizibil arată foarte bine”, spune McGehee, care de asemenea servește drept consilier al companiei.
Lance Wheeler nu este sigur care tehnologie va ajunge să fie cea mai bună. Un factor va fi toxicitatea: sticla și numeroasele tehnologii pentru ferestre solare conțin o cantitate mică de substanțe toxice. De asemenea, tehnologiile trebuie să fie suficient de durabile pentru a fi folosite preț de câteva decenii, după cum cere industria construcțiilor. Dar spune că este sigur că viitoarele clădiri nu-și vor atrage toată puterea din rețea și vor deveni independente din punct de vedere energetic.
