Czytaj także -

Aktualne wydanie

SS-10-2018 okladka

20180813-BANNER-160X600-V1-PL-GLASSTECEDG Swiat Szkla Skyscraper 160x600 BAU OK

EDG Swiat Szkla Skyscraper 160x600 BAU OK 

 

facebook12

czytaj newsy Świata Szkła

- więcej szklanej architektury

 

Baztech

Miesięcznik Świat Szkła

indeksowany jest w bazie

czasopism technicznych

 

 

 konferencja 2018 banner

konferencja 12 kwietnia 2018 1a

baner-2-krzywe

baner konferencja 12 2017

 

Wydanie Specjalne

 

Fasady przeszklone termika akustyka odpornosc ogniowa 2016

 

okna pasywne 2015a

 

Fotowoltaika w architekturze okladka

 

20140808Przegrody przeciwpozarowe

 

konstrukcje szklane

 

20140533 Konstrukcje przeszklone 2

 

katalog 2018 a

 RODO

 

konferencja 2018 banner

  

glass2018 480x120  

 lisec SS FastLAne

 

20180817doe12 baner-480-100

 

 

 

Kwantowa rewolucja w świecie szkła budowlanego
Data dodania: 29.05.18

Transparentne ogniwa fotowoltaiczne są w kręgu zainteresowania zarówno segmentu producentów fotowoltaiki, jak i producentów okien a także branż elektronicznych, jak np. producentów telefonów komórkowych, w których można byłoby instalować transparentne ogniwa w ekranach, zwiększając tym samym czas pracy urządzeń mobilnych na baterii. Potencjał aplikacyjny transparentnych ogniw jest ogromny i mogą one być stosowane wszędzie tam, gdzie instalacja typowych ogniw PV nie jest możliwa ze względu na konieczność utrzymania wysokiego poziomu transparentności. 

 

 

2018 05 24 1

 

 

Prowadzonych jest szereg badań nad semitransparentnymi oraz transparentnymi ogniwami fotowaltaicznymi, charakteryzującymi się dużą sprawnością przy zachowaniu wysokiego poziomu transmisji [1, 2]. Jako przykład można podać semitransparentne ogniwo o sprawności około 4% i transmisji 66% przy 550 nm, w którym zastosowano fotoaktywną powłokę zabezpieczającą przed działaniem zakresu bliskiej podczerwieni, z kolei transparentną dla światła widzialnego [3]. W kręgu zainteresowań w zakresie ogniw fotowoltaicznych znalazł się również perowskit, umożliwiający osiągnięcie sprawności około 5% ale posiadający słabą transmisję ok. 30% [4]. W rzeczywistości idealny materiał absorbujący światło dla semitransparentych ogniw powinien zatrzymywać światło z zakresu ultrafioletu i bliskiej podczerwieni a przepuszczać światło widzialne. Koncepcja transparentnych ogniw fotowoltaicznych nie jest nowa, jednak zaawansowane prace jednorodnych, w pełni przeźroczystych ogniw rozpoczęły się ok. 7 lat temu i od tego czasu wiele ośrodków naukowych (m. in.: MIT, Michigan State University), prowadzi intensywne badania mające na celu rozwijanie tej technologii [5]. W samych Stanach Zjednoczonych zakłada się, że dzięki zastosowaniu przeziernej fotowoltaiki można będzie wykorzystać ok. 7 miliardów m2, co może przełożyć się na zaspokojenie zapotrzebowania energetycznego w około 40%. Prace związane z wytworzeniem transparentnych ogniw w swojej początkowej fazie skupiały się głównie wokół materiałów organicznych. Niemniej jednak pojawił się duży problem z ich stabilnością i dlatego zaczęto coraz większą uwagę kierować na materiały nieorganiczne. Jednym z rozwiązań do wytworzenia transparentnego ogniwa fotowoltaicznego jest aplikacja struktur niskowymiarowych. Prace w tym zakresie prowadzi polska firma ML System, która z powodzeniem wykorzystuje niskowymiarowe struktury nieorganiczne – kropki kwantowe – jako warstwy aktywne.

 

Stosowane dzisiaj powszechnie w szybach niskoemisyjnych warstwy tlenku srebra zostaną zastąpione warstwą z kropkami kwantowymi. Oprócz funkcji przepuszczania światła słonecznego i izolacji energetycznej szyba zespolona zyska zupełnie nową funkcję - produkcji prądu elektrycznego. Szkodliwe promieniowanie UV oraz niekorzystne promieniowanie podczerwone zostanie zamienione na darmową czystą energię elektryczną, a pożądane promieniowanie w zakresie długości fali widzialnej – przepuszczone do wnętrza budynku. Na rys. 1 przedstawiono schematycznie tradycyjną szybę z powłoką na bazie tlenku srebra (a) oraz szybę z warstwą kropek kwantowych (b).

 

 

2018 05 24 2

Rys. 1: Porównanie zwykłej szyby z warstwą tlenku srebra (a) oraz szyby z warstwą kropek kwantowych (b).

 

 

Tradycyjna szyba odbija promieniowanie podczerwone (IR), podczas gdy szyba z warstwą kropek kwantowych wykorzystuje to promieniowanie, zamieniając je na energię elektryczną. Dodatkowo absorbowane jest również promieniowanie z zakresu ultrafioletu, które także konwertowane jest na energię elektryczną. Szyby z kropkami kwantowymi działają bifacjalnie, oznacza to że mogą absorbować promieniowanie elektromagnetyczne bez względu na to, z której strony ono pada. Mechanizm konwersji promieniowania IR na energię elektryczną jest analogiczny do tego, jaki znany jest z tradycyjnych ogniw krzemowych z tą różnicą, że każdą kropkę kwantową, ponieważ sama w sobie jest ona złączem typu p-n, można niemalże traktować jako malutkie ogniwko. Proces absorpcji i separacji ładunku zachodzi na samej kropce kwantowej. Dzięki temu możliwe było znaczne uproszczenie budowy ogniwa fotowoltaicznego, co przekłada się na łatwość produkcji oraz utrzymanie niskiej wagi szyby.

 

W laboratorium ML System naukowcy w rezultacie prowadzonych badań w ramach projektu „Aktywny zestaw szybowy dla budownictwa energetycznie dodatniego” (POIR.01.01.01-00-0598/15), zbudowali prototyp ogniwa fotowoltaicznego, do budowy którego użyte zostały nanomateriały: kropki kwantowe (QDs). QDs to małe półprzewodniki o rozmiarach rzędu kilku, kilkudziesięciu nanometrów (1 nanometr = 0,000 000 001 m), zdolne do pochłaniania i emitowania promieniowania elektromagnetycznego (światła). Półprzewodnikowe kropki kwantowe pełnią funkcję konwertera promieniowania elektromagnetycznego. Oznacza to, że pochłaniają one promieniowanie i konwertują je na prąd elektryczny bądź światło (w zależności od ich budowy). Dzięki swoim unikalnym własnościom kropki kwantowe mogą absorbować wybrany zakres długości fali elektromagnetycznej (UV, VIS, IR). Możliwe jest również kontrolowanie i dostosowanie ilości promieniowania, jakie ma być pochłonięte w danym zakresie. Można zatem np.: całkowicie wyeliminować szkodliwe promieniowanie UV przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej transparentności w zakresie promieniowania widzialnego. Dzięki zastosowaniu warstwy kropek kwantowych można również w znaczący sposób ograniczyć ilość promieniowania IR docierającego do pomieszczeń. Absorpcja promieniowania podczerwonego przełoży się bezpośrednio na zmniejszenie ilości ciepła padającego przez szybę do wewnątrz. Dzięki temu możliwe będzie zredukowanie kosztów funkcjonowania budynku, np. systemów klimatyzacji. Ponadto przezierność (transparentność) takiego ogniwa może być dowolnie modyfikowana w zależności od potrzeb i miejsca aplikacji i mieści się w zakresie od kilku do nawet 85% dla zakresu widzialnego.

 

Na rys. 3 przedstawiono transmitancję w szerokim zakresie długości fali elektromagnetycznej dla zwykłego szkła oraz szkła pokrytego warstwą kropek kwantowych o różnych rozmiarach. Linia zielona odpowiada transmitancji dla warstwy kropek o średnicy ok. 4 nm, linia czerwona kropki o średnicy ok. 6 nm. W porównaniu do zwykłego szkła, warstwy z naniesionymi kropkami kwantowymi blokują szkodliwe promieniowanie UV, przepuszczają promieniowanie widzialne na podobnym poziomie, oraz absorbują promieniowanie podczerwone.

 

 

2018 05 25 2

Rys. 3: Porównanie transmitancji w szerokim zakresie długości fali dla: zwykłego szkła (linia czarna), szkła z warstwą aktywną kropek kwantowych (linia czerwona i zielona)

 

 

(...)

 

Istotną cechą ogniwa opartego na kropkach kwantowych jest jego zdolność do absorbowania promieniowania elektromagnetycznego bez względu na kąt padania. Ponieważ kropki kwantowe mogą być semi-sferyczne, nie ma znaczenia pod jakim kątem pada na nie promieniowanie. Szeroki kąt absorpcji przekłada się na stabilne uzyski w ciągu całego dnia. Innym istotnym parametrem jest zdolność konwersji przy niskim poziomie radiacji. Prowadzone prace pokazały, że już przy intensywności promieniowania na poziomie 50 mW/m2 obserwuje się generację prądu elektrycznego. Ponieważ zastosowane półprzewodnikowe, nieorganiczne kropki kwantowe zaprojektowane zostały w architekturze core/shel, nie są one wrażliwe na zmiany temperatury (nie obserwuje się spadków efektywności w funkcji rosnącej lub malejącej temperatury). Są one również stabilne i nie ulegają degradacji pod wpływem czynników zewnętrznych, a zatem mogą być z powodzeniem stosowane w środowiskach o podwyższanej kwasowości, zasoleniu, czy odczynie zasadowym. Z uwagi na fakt ich architektury (core /shell) nie są one toksyczne dla środowiska. Przy ewentualnym zniszczeniu takiej szyby nie ma zatem obaw o zdrowie osoby narażonej na kontakt z uszkodzoną szybą. Szacowany czas pracy warstwy na bazie kropek kwantowych to ok. 50 lat.

 

Kropki kwantowe mogą być nanoszone na dowolną powierzchnię, więc możliwe będzie również budowanie ogniw na podłożach elastycznych. Ponadto proces nanoszenia kropek kwantowych może być prowadzony w atmosferze pokojowej (nie jest wymagana ścisła kontrola ciśnienia oraz składu chemicznego atmosfery). Proces nie wymaga również wysokich temperatur, co przekłada się łatwość i niskie koszty produkcji. Warstwa kropek kwantowych ma grubość od kilkuset nanometrów do kilku mikrometrów (w zależności od zakładanego stopnia przezierności i uzysków energetycznych), zatem finalna waga produktu pozostaje niemalże bez zmian. Jest to istotne z punktu widzenia instalacji, gdyż nie potrzeba żadnych modyfikacji systemów mocowań: szyby z warstwami aktywnymi mogą być bezproblemowo instalowane w miejsce zwykłych szyb.

 

Rys. 2 i 4 pokazują rzeczywiste ogniwo oraz ilość generowanego prądu dla różnych poziomów nasłonecznienia. Widać wyraźnie, że demonstrowane ogniwo cechuje się wysokim stopniem transparentności w zakresie fal widzialnych.

 

 

2018 05 25 1

Rys. 2: Transparentne ogniwo fotowoltaiczne z wykorzystaniem kropek kwantowych

 

 

2018 05 26 1

Rys. 4: Transparentne ogniwo fotowoltaiczne oparte na kropkach kwantowych.

 

 

Zakłada się, że rozwój tej technologii w krótkim czasie pozwoli na uzyski energetyczne na poziomi kilkunastu procent. Będzie to możliwe dzięki zastosowaniu dodatkowych warstw o odpowiednio dobranych indeksach optycznych i grubościach.

 

Zastosowanie odpowiednio dobranych warstw z kropkami kwantowymi pozwoli także na selektywną absorpcję promieniowania elektromagnetycznego bez względu na to, z której strony pada ono na szybę. Możliwe będzie przepuszczanie promieniowania widzialnego do wnętrza pomieszczenia przy jednoczesnej jego absorpcji i konwersji na prąd elektryczny, gdy padać ono będzie od strony pomieszczenia, tak jak pokazano na rys. 5.

 

 

2018 05 26 2

Rys. 5: Schemat układu selektywnej absorpcji bifacjalnej szyby z warstwą kropek kwantowych

 

 

 

 dr hab. inż. Manuela Reben
prof.AGH Kraków

dr inż. Paweł Kwaśnicki
ML System SA

 

 

 

Bibliografia:

1. K. Leosson, A. S. Ingason, B. Agnarsson, A. Kossoy, S. Olafsson, M. C. Gather: Nanophotonics 2 (2013) 3–11.

2. J. Krantz, T. Stubhan, M. Richter, S. Spallek, I. Litzov, G. J. Matt, E. Spiecker, C. J. Brabec. W: “Adv. Funct. Mater.” 23 (2013) 1711–1717.

3. C. C. Chen, L. Dou, R. Zhu, C. H. Chung, T. B. Song, Y. B. Zheng, S. Hawks, G. Li, P. S. Weiss, Y. Yang: ACSNano6 (2012) 7185–7190.

4. G. E. Eperon, D. Bryant, J. Troughton, S. D. Stranks, M. B. Johnston, T. Watson, D. A. Worsley, H. J. Snaith. W: “J. Phys. Chem. Lett.” 6 (2015) 129–138.

5. C. J. Traverse, R. Pandey, M. C. Barr, R. R. Lunt. W: Nature Energy, volume 2, pages 849–860 (2017).

 

 

Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym 
Inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne 
Więcej informacji: Świat Szkła 05/2018

 

 

Czytaj także --

Czytaj także

 

 

01 chik
01 chik