Het wetenschappelijk onderzoeksteam van de Nanyang Technological University (NTU) in Singapore maakte onlangs bekend dat ze een soort ultradunne, doorschijnende perovskiet-zonnecel hebben ontwikkeld met een dikte van slechts ongeveer 10 nanometer, wat ongeveer een tienduizendste van een mensenhaar is. Het is ongeveer 50 keer dunner dan conventionele perovskietcellen, maar behoudt nog steeds de toonaangevende foto-elektrische conversie-efficiëntie onder ultradunne apparaten. De verwachting is dat het direct kan worden geïntegreerd in transparante oppervlakken zoals bouwglas, autoruiten en zelfs smartglasses, waardoor het oorspronkelijk 'passieve verlichtings'-glas wordt omgezet in een energiedrager voor duurzame energieopwekking.

Een groot praktisch obstakel voor grootschalige inzet van zonne-energie in steden is ‘waar de panelen moeten worden geplaatst’. Traditionele fotovoltaïsche modules zijn niet alleen ondoorzichtig en zwaar, maar vereisen ook beschermend glas, inkapselingslagen, metalen beugels en installatiestructuren. Een standaard huishoudpaneel weegt 18 tot 23 kilogram en heeft een vermogen van ongeveer 350 tot 450 watt. Het is bijna onrealistisch dat een groot kantoorgebouw ‘zelfvoorzienend’ is met fotovoltaïsche zonne-energie op het dak. Veel steden met een hoge dichtheid hebben ook geen grote open ruimte om fotovoltaïsche energiecentrales te plaatsen. Het bedekken van de buitenkant van de glazen vliesgevel met ondoorzichtige en zware fotovoltaïsche panelen verandert niet alleen het uiterlijk van het gebouw, maar heeft ook invloed op de verlichtings- en thermische prestaties. Daarom is het gebruik van het grote glasoppervlak altijd de richting geweest van onderzoek naar transparante fotovoltaïsche technologie.

Het plan van het NTU-team is om perovskiet te gebruiken, het ‘stermateriaal’ in het fotovoltaïsche veld van het afgelopen decennium. Dit type kristalmateriaal heeft potentieel lage voorbereidingskosten, een hoog theoretisch rendement en kan nog steeds goede prestaties op het gebied van energieopwekking behouden bij weinig licht en strooilicht. Het is zeer geschikt voor stedelijke canyon-omgevingen met hoge gebouwen en verspringende schaduwen. Het kan doorgaan met het opwekken van elektriciteit in niet-optimale oriëntaties en in niet-sterkste zonlichtperioden, waardoor de tekortkomingen worden gecompenseerd van traditionele op silicium gebaseerde cellen die sterk afhankelijk zijn van direct zonlicht. Het onderzoeksteam maakte in het experiment ultradunne perovskietabsorptielagen met diktes van 10, 30 en 60 nanometer. De foto-elektrische conversie-efficiëntie van het ondoorzichtige apparaat bij deze drie diktes bereikte respectievelijk ongeveer 7%, 11% en 12%. Op deze basis maakten ze ook een doorschijnend apparaat van 60 nanometer dik met een efficiëntie van 7,6%, terwijl het nog steeds ongeveer 41% van het zichtbare licht doorliet, waarbij ze een evenwicht vonden tussen 'zichtbaar buitenlandschap' en 'substantiële energieopwekkingscapaciteit'.

Vergeleken met traditionele zonnemodules met een efficiëntie van meer dan 20% op de markt is dit aantal niet verbijsterend, maar de aantrekkingskracht op systeemniveau is duidelijk anders, uitgaande van het uitgangspunt dat het apparaat bijna "geen gewicht" heeft, bij weinig licht kan werken en direct in de glasstructuur kan worden geïntegreerd. Belangrijker nog is dat de apparaten van NTU "kleurneutraal" zijn en geen duidelijke kleurzweem of verkleuring op het glas veroorzaken. Het uiterlijk is nog steeds vergelijkbaar met gewoon transparant glas, wat vooral van cruciaal belang is voor moderne gebouwen die aandacht besteden aan geveleffecten. Het onderzoeksteam wees erop dat door de afzettingsdikte van de perovskietlaag nauwkeurig te controleren, de afweging tussen transparantie en efficiëntie tijdens de productiefase kan worden aangepast om zich aan te passen aan de behoeften van verschillende toepassingsscenario's.

Een ander hoogtepunt van dit werk is het voorbereidingsproces. Het team maakte geen gebruik van natte processen zoals oplossingsspincoating die momenteel gebruikelijk zijn in laboratoria, maar maakte gebruik van industrieel volwassen vacuüm-thermische verdampingstechnologie: het materiaal verwarmen in een vacuümkamer om het te verdampen en af ​​te zetten in een ultradunne laag op het oppervlak van het substraat. De onderzoekers zeggen dat dit de eerste keer is dat ultradunne perovskietzonnecellen volledig via een vacuümproces zijn vervaardigd. Deze technologie wordt op grote schaal gebruikt in de halfgeleider- en beeldschermindustrie. Het kan een groot oppervlak, zeer uniforme dikte en oplosmiddelvrije films bereiken, wat duidelijke voordelen heeft voor toekomstige grootschalige productie en opbrengstcontrole.

Volgens schattingen van het onderzoeksteam zou deze technologie, als deze technologie met succes wordt opgeschaald in de techniek en geïntegreerd in de glazen vliesgevels van hoge gebouwen, zoals de gehele glazen gevel van een superhoog gebouw zoals het One World Trade Center in New York, theoretisch miljoenen kilowattuur elektriciteit per jaar kunnen opwekken, wat ongeveer gelijk is aan het elektriciteitsverbruik van 40 gemiddelde Amerikaanse huishoudens gedurende een jaar. Teamleider Annalisa Bruno, universitair hoofddocent aan de NTU School of Physical and Mathematical Sciences en School of Materials Science and Engineering, merkte op dat, aangezien ongeveer 40% van het wereldwijde energieverbruik uit de gebouwde omgeving komt, technologieën die gebouwoppervlakken naadloos omzetten in energieopwekkende activa steeds urgenter worden.

De weg naar de realiteit is echter nog steeds vol uitdagingen. Hoewel perovskiet-zonnepanelen herhaaldelijk efficiëntierecords hebben gevestigd in het laboratorium, hebben ze op weg naar commercialisering altijd last gehad van het ‘levenslange probleem’: het materiaal is gevoelig voor waterdamp, zuurstof, hitte en ultraviolette straling, en is gevoelig voor degradatie bij langdurige blootstelling aan de buitenomgeving. Het behouden van stabiele prestaties gedurende vele jaren van gebruik is een erkend technisch knelpunt op dit gebied. Sam Stranks, een professor aan de Universiteit van Cambridge die niet betrokken was bij het onderzoek, merkte op dat de resultaten bemoedigend zijn, maar dat de belangrijkste volgende stap het verifiëren van de stabiliteit, duurzaamheid en prestaties van apparaten op grote oppervlakken is. Er gaapt nog steeds een grote technische kloof tussen het maken van hoogwaardige monsters op kleine oppervlakken in het laboratorium en de daadwerkelijke productie van tienduizenden vierkante meters 'energieopwekkingsglas'.

Maar als duurzaamheids- en opschalingsproblemen uiteindelijk worden opgelost, kunnen de potentiële gevolgen verstrekkend zijn. De gevels van moderne steden zijn bedekt met een grote hoeveelheid glas. Naast verlichting verhogen deze glazen ook de koellast in het gebouw. Als zelfs maar een deel ervan kan worden omgezet in onzichtbare energieopwekkingseenheden, zal een nieuw gedistribueerd stedelijk energienetwerk worden geopend zonder extra land in beslag te nemen. Het NTU-team is van mening dat de toepassingsmogelijkheden niet beperkt zijn tot gevels van gebouwen, maar zich ook kunnen uitstrekken tot voertuigbeglazing, dakramen, draagbare elektronische apparaten, slimme brillen en andere scenario's. Verwacht wordt dat lichtgewicht, doorschijnende fotovoltaïsche zonne-energie ervoor zal zorgen dat sommige apparaten langzaam kunnen blijven opladen onder dagelijks omgevingslicht zonder opzettelijk traditionele "zwarte panelen" bloot te leggen.

Het wetenschappelijke onderzoeksteam heeft een patentaanvraag ingediend voor dit type ultradunne perovskietfilmstructuur via NTUitive, het technologietransformatie-instituut van de Nanyang Technological University, en werkt samen met industriële partners om het thermische verdampingsproces te verifiëren en te standaardiseren om de basis te leggen voor daaropvolgende industrialisatie. Momenteel bevindt deze technologie zich nog in de onderzoeksfase, maar ze heeft een belangrijke stap gezet in de richting van "onzichtbare fotovoltaïsche zonne-energie" en voegt ook een meer realistische verbeeldingskracht toe aan het nieuwe stedelijke energiebeeld van "laat ramen hun eigen elektriciteit opwekken".