Як відомо, класичні сонячні панелі темного кольору або синього або майже чорного. Через це вони дуже виділяються на тлі будівлі, вносячи відчутний дисонанс в його архітектурний стиль. Крім того, колірні особливості доводиться враховувати і проектувальникам при розробці сучасних енергоефективних будівель та малих архітектурних форм. Вирішення цієї проблеми було знайдено не так давно: вчені розробили прозорі сонячні батареїдля фасадів та систем скління.

Сфера застосування прозорих панелей дуже велика:

• Засклення фасадів;
• Зведення зимових садів;
• Будівництво теплиць та тваринницьких комплексів;
• Засклення павільйонів;
• Створення скляних дахів та внутрішніх двориків (атріумів);
• Засклення мансард та пентхаусів;
• Створення різноманітних сонцезахисних систем (над зонами відпочинку, басейнами тощо).

Головна особливість таких панелей полягає у використанні невидимого спектру сонячних променів, його інфрачервоної та ультрафіолетової частин. При цьому поглинання та «переробка» інфрачервоного випромінювання мають ще одну перевагу – мінімізація теплової дії. Справа в тому, що перегрівання фотопанелей, через яке вони потребують додаткового охолодження, викликає саме ІЧ-спектр. Прозорі моделі поглинають ІЧ-промені, і вони не розігрівають самі панелі. Це означає, що з'являється можливість відмовитися від систем охолодження та знизити загальні витрати на встановлення геліополя.

Нюанси конструкції

В даний час випускаються прозорі панелі двох типів: на скляних основах та на гнучких підкладках. Гнучкі варіанти нагадують плівку тонування і призначені для наклеювання на прозорі конструкції (вікна, панелі скління фасадів і т.д.). Їх світлопропускна здатність досягає 70%, що практично не позначається на рівні освітленості приміщення. Створюються вони з гнучкого композитного матеріалу, схожого на пластик. Використання сучасних розробок дозволяє мінімізувати витрати на виробництво подібних плівок та зробити їх виготовлення економічно вигідним.

Другий варіант прозорих панелей – нанесення двошарової плівки на основу із загартованого скла. Для зведення фасадів використовуються саме такі панелі. На загартовану скляну підкладку (нерідко триплекс) наноситься тонка плівка аморфного кремнію. останнього покоління. Зверху на неї напилюється прозора мікроплівка кремнію. Аморфний кремній перетворює видимий спектр, а мікроплівка - ІЧ-промені.

Причому завдяки використанню особливих барвників вчені змогли надавати прозорим фасадним панелям практично будь-який відтінок. Це означає, що за допомогою таких батарей можна створювати будь-які фасадні композиції. Крім того, розробники активно використовують у прозорих панелях органічні барвники, які мають фотоелектричні властивості.

Така технологія дозволяє підвищити ККД виробу одночасно додавши йому потрібний колір. Органічний барвник доповнюється нанокомпонентами, міститься між двома скляними підкладками, а стики заповнюються скляним порошком. Потім отриманий сендвіч запікається при температурах порядку 600°С. У результаті виходить безкремнієва фотопанель із ККД близько 4%. Щоправда, вартість подібних виробів поки що перевищує економічну вигоду від їхнього масового виробництва.

Продуктивність прозорих панелей

Незважаючи на масу переваг, прозорі фасадні панелі мають деякі недоліки, які поки що заважають їх повсюдному поширенню. Головний же обмежувач полягає у низькій продуктивності. ККД подібних виробів поки що трохи більше 1%. Проте вчені ведуть активні роботи з покращення енерговироблення та розраховують у найближчому майбутньому довести ККД до 5%. Цього буде достатньо для початку промислового виробництвата впровадження прозорих фасадних панелей.

Мала продуктивність окупатиметься легкістю монтажу та відсутністю необхідності пошуку додаткового місця встановлення. Зрештою витрати на монтаж таких панелей будуть не більшими за витрати на розміщення звичайних кремнієвих фотобатарей. Значна площа скляних конструкцій (які у своєму звичайному вигляді, по суті, не приносять ніякої практичної користі) дозволить їм виробляти цілком відчутну кількість електроенергії.

Ще один перспективний напрямок, можливий зі збільшенням ККД, - використання таких «фотосклів» в екранах ноутбуків, планшетів, смартфонів тощо.

Дослідники з Мічиганського державного університету, який при цьому перетворює сонячне світло на електроенергію. Порівняно з попередніми умовно-прозорими матеріалами цей справді виглядає як скло. У перспективі його можна буде поставити замість скла у вікно житлового будинку і отримувати додаткову дармову енергію, або перетворити на екран смартфона/планшета, щоб він заряджався самостійно.

Звичайно, сонячна панель для отримання електрики повинна вловлювати фотони, які генеруватимуть енергію. Отже, вона не може бути повністю прозорою. Тому попередні версіїтаких матеріалів були напівпрозорими. У чому каверза?

У новому матеріалі використовується технологія "сонячного концентратора". Органічні солі, що містяться в ньому, поглинають невидиме (ультрафіолетове та інфрачервоне) випромінювання. Опинившись усередині панелі, все випромінювання перетворюється на інфрачервоний спектр. Це випромінювання, відбиваючись від площин панелі зсередини, проникає її краях. Там його зустрічають вузькі смужки зі звичайних панелей, які і поглинають світло, виділяючи енергію.

Поки що ефективність збирання енергії у пробних панелей становить 1%. Учені вважають, що цей показник можна збільшити до 5%. Максимальний ККД для сонячних непрозорих концентраторів становить 7%. Звичайно, це дуже мало, порівняно із сучасними сонячними панелями, у яких ККД серійних зразків, а в лабораторіях доходить і до 50%. Натомість прозорі перетворювачі енергії можуть бути встановлені до будинків замість звичайних стекол. Якщо уявити цілий хмарочос, у якому вся поверхня переробляє енергію, то отримане число вже буде досить значним.

Досягти повної прозорості панелей сонячних батарей вдалося дослідникам із Мічиганського Університету. Це досягнення робить можливим перетворення будь-якого вікна або екранних поверхонь (наприклад, вашого смартфона) на сонячний фотоелектричний елемент. На відміну від колишніх розробок, про які повідомлялося раніше, цей варіант батареї практично повністю прозорий, в цьому можна переконатися, глянувши на фотографію вище.

Керівник досліджень Річард Лунт повідомив, що є впевненість у тому, що такі сонячні батареї насправді можуть бути застосовні у дуже широкому діапазоні: від вікон багатоповерхівок до екранів мобільних девайсів, таких як телефон чи електронна книга.

З наукового погляду прозора панель сонячної батареї є чимось на кшталт оксюморону. Сонячні батареї, що діють за принципом фотоеклектричного ефекту, поглинають фотони (сонячне світло), перетворюючи їх потім на елетрони (електрику). Але якщо матеріал, який ви бачите, прозорий, це означає, що сонячне світло не було поглинене, а пройшло крізь нього, досягнувши сітківки вашого ока. Саме цей момент не могли раніше обійти розробники, намагаючись створити прозорі сонячні батареї. Вони (батареї) були частково прозорі, до того ж, як правило, мали райдужні розлучення.

Щоб вирішити цю проблему, дослідники Мічиганського Університету використали дещо іншу технологію «збирання» сонячних променів.

Відмовившись від спроб створити повністю прозорий фотоелектричний елемент (що майже неможливо), вони використовували прозорий люмінесцентний сонячний концентратор (TLSC).

TLSC –матеріал, що складається з органічних солей, поглинає невидиме оку випромінювання ультрафіолетового та інфрачервоного спектру, яке потім перетворює на інфрачервоні хвилі певної довжини (теж невидимі для очей). Отримане інфрачервоне випромінювання прямує до країв пластини, де тонкі смужки сонячних фотоелектричних батарей вже звичайної дії перетворюють його в електрику.

Якщо ви уважно придивитеся, побачите чорні смужки на зрізі листа пластику. Таким чином, через те, що органічний матеріал становить більшу частину сонячної панелі, вона високо прозора.

На сьогоднішній день ККД мічиганського TLSC пластику складає 1%. Проте, на думку вчених, цілком можливо, може бути доведено до 5%.

Аналогічні непрозорі люмінісцентні концентратори (заповнюють кімнату райдужним світлом) мають максимальне ККД 7%. Самі собою ці цифри не є величезними і не вражають, але у великому масштабі – наприклад, при використанні в кожному вікні будинку або офісу, цифра швидко збільшується.

Крім того, доки не створена технологія, що підтримує безперервну роботу вашого смартфона або телефону протягом невизначеного терміну, заміна дисплея пристрою на виготовлений з TLSC екран може збільшити на кілька хвилин або годин термін його роботи на акумуляторі без підзарядки.

Розробники впевнені, що технологія може набути широкого поширення: від застосування в глобальних промислових масштабах до побутового домашнього рівня. Досі однією з найбільших перешкод на шляху широкомасштабного використання сонячних батарей була їхня громіздкість і неестетичність. Очевидно, якщо стане можливо перетворювати сонячне світло на електроенергію за допомогою листів скла або пластику, які нічим не відрізняються від звичайних, застосування таких сонячних панелей буде різнобічним.

Вікна впускають у будинок світло, а разом із ним і сонячне тепло. Існує безліч технологій пасивного регулювання світла з вікон з метою зменшення або збільшення кількості тепла, що надходить. Адже це тепло, по суті – енергія, яку теоретично можна перетворити на електрику. Вчені з Міністерства енергетики США розробили прозору сонячну плівку, яка дозволить перетворити вікна на екологічні генератори електроенергії.

Зрозуміло, що для максимально ефективного використання сонячної енергії колектори повинні розташовуватись у місцях безпосереднього контакту із сонячними променями. До цього часу такими вважалися лише дахи будинків. Нова розробкадозволить розширити застосування сонячних технологій ще на поверхні вікон.

Спільна розробка вчених Брукхевенської національної лабораторії та Лос-Аламоської національної лабораторії є прозорою тонкою плівкою, здатною поглинати світло і генерувати електричний заряд. Матеріал, описаний у журналі Chemistry of Materials, можна було б використовувати для створення прозорих панелей сонячних батарей або навіть вікон, що поглинають сонячну енергію та виробляють електрику.

Новий матеріал складається з напівпровідникових полімерів з додаванням фулеренів – молекул, що складаються із шести атомів вуглецю. При точному дотриманні умов технологічного процесу матеріал самостійно структурується, створюючи на відносно великій (у кілька міліметрів) площі візерунок, що повторюється, з шестигранних осередків мікронного розміру (структура, спочатку властива фулеренам).

«Такі тонкі стільникові плівки вже створювалися зі звичайних полімерів на кшталт полістиролу, але наш матеріал вперше поєднує напівпровідники і фулерени, що дає йому можливість поглинати світло, а також ефективно генерувати та розділяти електричні заряди», – зауважив Мірче Котлет, фізхімік з Брукхевенського Центру. функціональних наноматеріалів (CFN)
Крім того, матеріал залишається практично прозорим, оскільки при додаванні фулеренів полімерні ланцюги вишиковуються по краю мікронних шестикутників, а в центрі їхній шар залишається нещільним і дуже тонким. Як пояснив Котлет, щільніші краї шестикутників посилено поглинають світло і можуть сприяти проведенню електрики, тоді як їхня центральна частина відносно прозора, а тому поглинає дуже мало світла.

"Поєднання цих особливостей при досягненні великомасштабного структурування уможливить практичне застосування технології, наприклад, для створення енергогенеруючих сонячних вікон, прозорих панелей сонячних батарей або нових видів дисплеїв", - заявив Чжихуа Сюй, вчений-матеріалознавець з CFN.
Для отримання сонячної стільникової плівки вчені пропустили крізь тонкий шар змішаного розчину полімеру та фулерену потік крихітних (мікронних) крапель води. У розчині полімеру ці краплі води самоорганізувалися у великі матриці. Після повного випаровування розчинника полімер набув форми гексагональної стільникової решітки досить великої площі. За твердженнями розробників, цей метод досить ефективний у тому, щоб застосовуватися у лабораторних умовах, а й у масштабах промислового виробництва.

Вчені перевірили рівномірність стільникової структури за допомогою різних методівсканування та електронної мікроскопії, а також протестували оптичні властивості та ефективність формування заряду на різних частинах стільникової структури (по краях, у центрі осередків, у місцях перетину окремих осередків) за допомогою регульованої у часі софокусної флуоресцентної мікроскопії.
Виявилося, що ступінь ущільнення полімеру визначається швидкістю випаровування розчинника, що, своєю чергою, впливає швидкість перенесення заряду крізь матеріал. Чим повільніше випаровується розчинник, тим щільніше розташовується полімер, і краще переноситься заряд.

«Наша робота дозволила глибше зрозуміти оптичні властивості стільникової структури. Наступний крок – використання цих тонких стільникових плівок для виготовлення прозорих, гнучких та екологічно чистих сонячних елементів та інших пристроїв», – сказав Мірче Котлет.