Onderzoekers van University College London hebben semi-transparante zonnevensters ontwikkeld. Deze vensters wekken elektriciteit op uit zowel daglicht als binnenverlichting. Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Energy Materials. Het roept een praktische vraag op voor architecten en gebouweigenaren: zou glas een energiebron kunnen worden?
Het onderzoeksteam is internationaal en wordt geleid door UCL. Dr. Mojtaba Abdi-Jalebi van UCL zei dat de motivatie was om beter gebruik te maken van een van de grootste onbenutte oppervlakken in de moderne architectuur: glas. Daken in veel steden zijn al voorzien van zonnepanelen. De enorme raamoppervlakken van kantoorgebouwen en woningen blijven grotendeels onbenut als energiebron.
Hoe de Windows-systemen werken
De cellen maken gebruik van perovskiet, een klasse van lichtabsorberende kristalmaterialen die de afgelopen tien jaar veel onderzoeksaandacht heeft gekregen. De perovskiet-absorptielaag is slechts 185 nanometer dik. Dat is veel dunner dan conventionele perovskietlagen. Het team heeft de laag zo afgesteld dat deze binnenlicht bijzonder efficiënt opvangt. Computermodellen hebben de laagstructuur vanaf het begin vormgegeven.
Het prototype laat ongeveer 30 procent van het zonlicht door. Gewoon glas laat doorgaans 80 tot 90 procent door. De gedeeltelijke tinting is een technisch compromis tussen transparantie en energieopbrengst.
Het ontwerp van de elektroden vormde een eigen uitdaging. Het team gebruikte een dunne goudlaag tussen twee lagen molybdeenoxide. Deze configuratie geleidt elektriciteit en laat tegelijkertijd licht door. Een conventionele metaallaag zou te veel licht hebben geblokkeerd.
De onderzoekers voegden ook een molecuul genaamd 3-trifluormethyl-1H-1,2,4-triazool toe aan de celstructuur. Dit vermindert elektronische defecten en verbetert de stabiliteit van het kristalrooster.
Prestaties tijdens het testen
Het team testte een paneel van 30 bij 30 centimeter. Onder fel binnenlicht zette het apparaat 22 procent van het binnenkomende licht om in elektriciteit. In direct zonlicht was dit 14 procent. Het apparaat behield na 300 uur in een standaard versnelde duurzaamheidstest nog 80 procent van zijn efficiëntie.
Hoofdauteur Siming Huang zei dat het gedeeltelijke tinteffect ook de behoefte aan koeling kan verminderen. Het beperkt de hoeveelheid warmte die een gebouw binnenkomt. Dat maakt de technologie bijzonder relevant in warmere streken. In die klimaten is airconditioning verantwoordelijk voor een groot deel van het elektriciteitsverbruik.
Het rendement van 14 procent buitenshuis ligt lager dan dat van commerciële silicium zonnepanelen, die doorgaans tussen de 20 en 23 procent halen. Het rendement van 22 procent binnenshuis is echter concurrerend voor toepassingen met omgevingslicht. De technologie bevindt zich nog in het laboratoriumstadium. De duurzaamheidstest van 300 uur is korter dan de prestatiegaranties van meerdere decennia die vereist zijn voor commerciële toepassing.
Een groeiend veld
Het werk van UCL bevindt zich in een snel evoluerend onderzoeksgebied binnen de zonne-energie. Andere studies hebben aangetoond dat semi-transparante perovskietcellen zo kunnen worden afgesteld dat er een balans ontstaat tussen zichtbaarheid en energieopbrengst. Onderzoekers hebben ook gemengde zelfassemblerende monolaaginterfaces, fabricagemethoden in de omgevingslucht en flexibele substraatconfiguraties onderzocht. De belangstelling voor transparante fotovoltaïsche cellen is zowel in de academische wereld als in het bedrijfsleven gestaag gegroeid.
De markt voor in gebouwen geïntegreerde fotovoltaïsche systemen is nog in ontwikkeling. Perovskietcellen worden geconfronteerd met veelvoorkomende vragen over stabiliteit op lange termijn en de aanwezigheid van lood in veel samenstellingen. Er blijven aanzienlijke regelgevings- en commerciële obstakels bestaan. Het team van UCL heeft een haalbare configuratie aangetoond, maar de weg van laboratorium naar gebouwgevel omvat nog vele stappen.
Wat volgt
De onderzoekers zeggen dat hun ambitie op de lange termijn is om flexibele zonnefolies te ontwikkelen. Deze zouden kunnen worden aangebracht op gebogen glas, voertuigen, zonnedaken en andere transparante oppervlakken. Dat zou de mogelijkheden van energieopwekkende architectuur aanzienlijk uitbreiden, voorbij conventionele raamruiten. Er is nog geen tijdschema voor commerciële toepassing bekendgemaakt.
Voor investeerders en beleidsmakers die de energietransitie volgen, is het resultaat van UCL een belangrijk gegeven om in de gaten te houden. Gebouwen zijn volgens het Internationaal Energieagentschap verantwoordelijk voor ongeveer 40 procent van het wereldwijde energieverbruik. Technologieën die energie opwekken uit bestaande gebouwoppervlakken zouden de vraag naar elektriciteit kunnen verminderen zonder dat er nieuwe grond nodig is. In glas geïntegreerde zonnepanelen zijn een van de kandidaten in die categorie.
Het onderzoek is gepubliceerd in Advanced Energy Materials. Het werk werd geleid door UCL in samenwerking met een internationaal team. Volledige details van de studie, inclusief methodologie en materiaalkarakterisering, zijn beschikbaar in het gepubliceerde artikel.
