Läpinäkyvä pinnoite muuttaa tavallisen lasin aurinkoa tuottaviksi ikkunoiksi

Tutkijat Nanjingin yliopistosta ovat kehittäneet läpinäkyvän pintakerroksen, joka voidaan levittää tavallisen ikkunalasin päälle keräämään auringonvaloa ja ohjaamaan sen reunalle asennettaville aurinkosähkökennoille (PV). Materiaali—jota tutkijat kuvaavat värittömäksi ja yksisuuntaiseksi diffraktiotyyppiseksi aurinkokonsentraattoriksi (CUSC)—säilyttää ikkunoiden visuaalisen läpinäkyvyyden samalla kun se uudelleenohjaa osan tulevasta auringonvalosta sähköksi muutettavaksi.

Tutkimusryhmä on valmistanut pienen toimivan prototyypin ja julkaissut tuloksensa PhotoniX-lehdessä. Jos pinnoitteen tuotanto ja skaalaus onnistuvat edullisesti, olemassa olevan rakennuslasituksen jälkiasennus ja uusien ikkunoiden pinnoittaminen voisivat lisätä hajautettua uusiutuvan energian tuotantokapasiteettia kaupunkialueilla, edistäen rakennuksiin integroitavia aurinkoratkaisuja (BIPV) ja laajempia hiilidioksidipäästöjen vähennystavoitteita.

Miten CUSC toimii: kolesteriset nestekiteet ja selektiivinen valon ohjaus

Pinnoitteen ytimessä ovat kolesteriset nestekiteet (CLC), materiaaliluokka, jolla on suunniteltu kierteinen molekyylirakenne ja joka vaikuttaa valoon aallonpituus- ja polarisaatioriippuvasti. Pinoamalla useita CLC-kerroksia, jotka on viritetty eri aaltopituusalueille aurinkospektrissä, pinnoite kattaa laajan määrän näkyvän valon alueita säilyttäen samalla visuaalisen läpinäkyvyyden.

Polarisaatiolle selektiivinen diffraktio

Tärkeä suunnitteluominaisuus on, että CUSC diffraktoi selektiivisesti yhtä pyörivää polarisaatiota. Tämä tarkoittaa, että vain tietyssä polarisaatiotilassa olevat fotonit ohjataan sivuttaissuunnassa lasiin, missä ne kulkeutuvat kokonaisheijastuksen ohjaamina kohti ikkunan reunoille sijoitettuja PV-kennoja. Muun polarisaation valo kulkee suurelta osin ikkunalasin läpi, säilyttäen ikkunan tavallisen toiminnon ja päivänvalon.

Optinen insinööri Dewei Zhang, yksi tutkimuksen kirjoittajista, selittää, että muokkaamalla CLC-filmin sisäistä rakennetta ryhmä voi ”selektiivisesti diffraktoida pyöröpolarisoitunutta valoa ja ohjata sitä jyrkillä kulmilla lasi-aaltoputkeen.” Tämä aaltoputkiefekti keskittyy valoa reunan kennoille ilman voimakasta värjäytymistä.

Kirjoittajat viittaavat valmiiseen laitteeseen nimellä väritön ja yksisuuntainen diffraktiotyyppinen aurinkokonsentraattori (CUSC), mikä korostaa sekä sen visuaalista neutraaliutta että yksisuuntaista valonohjauskäyttäytymistä kohti energiantuotantolaitteita.

Suorituskykymittarit, prototyypit ja rajoitukset

Laboratoriokokeissa pinnoite osoitti lupaavaa optista suorituskykyä: se läpäisee 64,2 prosenttia näkyvästä valosta ja säilyttää 91,3 prosenttia värintoistosta, mikä on tärkeää käyttäjäkomfortin kannalta rakennuksissa. Käyttäen vihreää laseria—valittuna ihmisen silmän herkkyyden vuoksi tässä alueessa—laite keräsi ja muunsi 38,1 prosenttia tulevasta energiasta, mikä osoittaa korkean teoreettisen keräystehokkuuden ideaalitilanteissa. Laajemmissa kokeissa monivärisessä valossa, joka jäljittelee todellista auringonvaloa, tutkijat raportoivat optiseksi keräystehokkuudeksi 18,1 prosenttia.

Tiimi valmisti tuuman kokoisen prototyyppipaneelin, joka oli pinnoitettu CUSC:llä ja tuotti riittävästi tehoa pienen tuulettimen pyörittämiseen. Kuitenkin nykyinen kokonaisenergiamuuntotehokkuus—eli osuus saapuvasta aurinkoenergiasta, joka muunnetaan käyttökelpoiseksi sähköksi kun huomioidaan koko optinen polku ja PV-muunnos—on edelleen alhainen, noin 3,7 prosenttia. Tämä luku heijastaa häviöitä valonohjauksessa, aaltoputkikuljetuksessa ja reunan PV-muunnosketjussa.

”CUSC-suunnittelu on askel eteenpäin aurinkoteknologian integroinnissa rakennettuun ympäristöön ilman esteettisistä kompromisseista luopumista,” sanoi optinen insinööri Wei Hu, yksi tutkimusryhmän jäsenistä. ”Se edustaa käytännöllistä ja skaalattavaa strategiaa hiilidioksidipäästöjen vähentämiseksi ja energian omavaraisuuden lisäämiseksi.” Silti kirjoittajat korostavat, että vakauden, valmistettavuuden toistettavuuden ja tehon parantaminen on välttämätöntä ennen kaupallista käyttöönottoa.

Skaalauksen haasteet ja parannusreitit

Useita teknisiä ja valmistuksellisia esteitä on ratkaistava siirryttäessä prototyypistä markkinavalmiiksi tuotteeksi. Tutkijat nostavat esiin tarpeen:

  • Lisätä laitetason sähkömuunnostehoa optimoimalla reunan PV-kennojen sijoittelua, vähentämällä aaltoputkihäviöitä ja parantamalla pinottujen CLC-kerrosten spektrikattavuutta.
  • Parantaa nestekidekalvojen ympäristö- ja mekaanista vakautta, jotta pinnoite kestää UV-altistusta, lämpösyklejä ja rakennuslasin rutiinihuoltoa.
  • Kehittää skaalautuvia depostiio- tai laminaatiotekniikoita, jotka ovat yhteensopivia suurten lasialueiden ja olemassa olevien ikkunavalmistusten prosessien kanssa kustannus- ja läpimeno tavoitteiden saavuttamiseksi.

”Tuotannon skaalaamiseksi materiaalien ja prosessien parannuksia on harkittava,” tiimi kirjoittaa julkaistussa artikkelissaan, korostaen että teollinen käyttöönotto riippuu optisen suorituskyvyn, kestävyyden ja kustannusten tasapainottamisesta.

Asiaan liittyvät teknologiat ja mahdolliset sovellukset

Läpinäkyvät tai puoliläpinäkyvät aurinkokennot ovat aktiivinen tutkimusalue osana rakennuksiin integroitavia aurinkoratkaisuja ja kaupunkien aurinkosovelluksia. Vaihtoehtoina ovat ohuet BIPV-moduulit, orgaaniset aurinkokennot lasitukseen integroituna sekä luminesoivat aurinkokonsentraattorit (LSC), jotka absorboivat valoa ja uudelleenemittoivat sitä reunoja kohti. CUSC eroaa monista näistä lähestymistavoista yhdistämällä korkean näkyvän läpinäkyvyyden, väritasapainon ja suunnatun valonohjauksen polarisaatiolle selektiivisen diffraktion kautta.

Käytännön sovelluksia ovat toimisto- ja asuinikkunoiden jälkiasennus, pinnoitteen integroiminen kattoluukkuihin, kasvihuoneisiin, ajoneuvojen laseihin ja jopa aurinkoa hyödyntäviin näyttöratkaisuihin. Laajasti käyttöön otettuna ikkunapohjainen tuotanto voisi täydentää katoille ja maahan asennettuja aurinkojärjestelmiä ja tarjota hajautettua energiaa lähellä rakennusten kuormia.

Asiantuntijan näkemys

FTL:n fotovoltaikan tutkija ja käytetyn optiikan luennoitsija, tohtori Lena Martínez, kommentoi: ”Nanjingin ryhmä esittelee elegantin optisen lähestymistavan käyttäen kolesterisia nestekiteitä läpinäkyvyyden säilyttämiseksi samalla kun energia ohjataan PV-kennoille. Raportoidut luvut ovat rohkaisevia laboratoriotason laitteille, mutta kriittinen haaste on muuntaa optinen lupaus taloudellisesti kannattavaksi ja kestävää suorituskykyä tarjoavaksi tuotteeksi. Parannukset moduulitasoisessa tehokkuudessa ja pitkäaikaisessa vakaudessa ratkaisevat, tuleeko tästä valtavirtaisen BIPV-ratkaisun osa."

Tämä näkemys heijastaa rakennuksiin integroitujen aurinkoratkaisujen tutkijoiden konsensusta siitä, että materiaalien kestävyys, valmistuskustannukset ja yhteensopivuus nykyisten lasistandardien kanssa ovat yhtä tärkeitä kuin laboratoriotehokkuusluvut.

Johtopäätös

Nanjingin yliopiston tutkijoiden kehittämä väritön ja yksisuuntainen diffraktiotyyppinen aurinkokonsentraattori (CUSC) tarjoaa lupaavan reitin kohti aidosti läpinäkyviä aurinkoikkunoita. Pinottuja kolesterisia nestekidekalvoja hyödyntämällä voidaan selektiivisesti diffraktoida pyöröpolarisoitunutta valoa ja ohjata osa auringonvalosta reunan PV-kennoille samalla kun suurin osa näkyvästä valosta pääsee läpi. Varhaiset prototyypit osoittavat käyttökelpoista optista läpinäkyvyyttä ja mitattavaa tehoa, mutta nykyinen laitetason sähkömuunnosteho (noin 3,7 prosenttia) ja valmistushaasteet edellyttävät lisätutkimusta materiaaleissa ja kehitystyössä. Mikäli nämä esteet ylitetään, läpinäkyvät aurinkopinnoitteet voivat muodostaa merkittävän osan rakennuksiin integroitavaa uusiutuvaa energiaa lisäten hajautettua tuotantoa ilman, että ikkunoiden ulkonäkö muuttuu.