Rascacielos pueden emplear estos paneles fotovoltaicos en forma masiva para alimentar electricidad directamente a la red eléctrica del edificio.
Por: Senior Member IEEE Carlos Pantsios Markhauser
Celdas solares en ventanas, conocidas como miradores solares transparentes o ventanas solares, convierten fachadas de edificios en generadores activos de energía renovable mientras se conservan fundamentalmente transparentes. Empleando revestimiento o materiales orgánicos, estas ventanas capturan luz ultravioleta e infrarroja para producir electricidad, mientras que la luz visible pasa a través de ellos con poca atenuación.
A partir del 2020, todos los edificios nuevos en la Unión Europea tendrán que mantener las emisiones de carbono cerca de cero. Sólo en el Reino Unido, los edificios son responsables del 40% de las emisiones de carbono en el país, según el UK Green Building Concil, organización de la industria de la construcción cuyo objetivo es aumentar la sostenibilidad en el sector.
La forma más efectiva de lograr esto es reducir el consumo de energía de los edificios y esto puede lograrse si aumenta la eficiencia de los inmuebles, para que gasten menos, y hacemos que produzcan su propia energía.
Hoy es una realidad la conversión de paneles de vidrio en módulos fotovoltaicos, integrados directamente a edificios, tanto para fines decorativos como para mirar a través de ellos. Tales ventanas podrían ininterrumpidamente generar potencia para los edificios mientras sus ocupantes pueden salir a las calles a disfrutar de la luz natural o mirar nubes pasando por encima de ellos.
Ya para el 2020, 8.3 mil millones de metros cuadrados de vidrio plano estarán instalados anualmente en nuevas edificaciones a nivel mundial, según el grupo Freedonia. Esta área cubierta con paneles solares en la orientación ideal, podrían producir más de un 1Tw de potencia pico de salida, y a lo largo de todo un año podrían generar hasta 2.190 Tw-hora. Esto representa aprox. 9% del consumo total de energía eléctrica para el año 2016. Reemplazando esta fuente de energía por carbón en el 2017 habría podido salvar aproximadamente el 16% de las emisiones de carbón de combustibles fósiles, de la industria, y alteraciones forestales, así como uso de la tierra.
Para fines de las 2020 regulaciones obligatorias, impulsan las ventanas solares y sus beneficios ambientales a ser una realidad. Una directiva de la Comunidad Europea requiere que todas las nuevas edificaciones cumplan con el estándar de “energía cercana a cero”. Japón, siguiendo el desastre nuclear de Fukushima Daiichi, fue más allá al requerir que todos los nuevos edificios públicos sean de energía cero para el 2020.
Las ventanas solares nunca serán tan eficientes como los paneles solares convencionales, ya que las primeras deben mantener un cierto grado de transparencia por su función como ventanas. Sin embargo, ellas pueden crear una enorme red de fuentes fotovoltaicas pequeñas. Los desarrolladores opinan que el monto de dinero que las ventanas fotovoltaicas salvan en energía podría cubrir el costo de sus instalaciones.
Actualmente, la diferencia en costo es bastante reducido, dice Thomas Brown de la Universidad de Roma, en Italia, quien fue uno de los desarrolladores ventanas solares. Añadiendo componentes generadores de potencia eléctrica materiales para ventanas podría pagar a sí mismo en menos de una década, él dijo.
Existen diferentes tecnologías, cada una con diferente costo y características. Los desarrolladores actuales querrán determinar por ello determinar si esta tecnología arrancara, y si lo hace, cuál de las diferentes aproximaciones dominara.
En 1954, la AT&T Bell Telephone Laboratories comercializó las primeras celdas solares, cuando descubrió esta tecnología basada en el silicio. Hoy en día, techos con paneles solares todavía emplean estas celdas. Cuando son impactadas por fotones, electrones en la estructura cristalina del silicio son impulsadas hacía un nivel energético más alto, dejando una carga positiva (hueco) detrás. Electrones y huecos se mueven entonces en sentidos opuestas por las capas de silicio hacía los electrodos, dando lugar a la corriente eléctrica.
Idealmente, los paneles solares estándar podrían aprovechar cada fotón posible. Sin embargo, los paneles solares operando como ventanas pueden ser útiles al absorber ciertos fotones – particularmente aquellos en la banda del ultravioleta, que hacen desvaneces colores y pueden ser dañinos para las personas, al igual que fotones en el rango espectral del infrarrojo, que incrementan la temperatura puertas adentro. Para bloquear estos fotones, vidrios para ventana normales reciben un recubrimiento de baja emisividad (bajo E) que también bloquea por lo menos el 10% de la luz visible de entrada. Recubrimientos solares pueden utilizar estas bandas de frecuencia comúnmente bloqueadas para producir energía.
Sin embargo, es complicado colocar componentes generadores de electricidad en ventanas. Las ventanas también deben generalmente cumplir con estándares restrictivos de estabilidad. Estos retos hacen que las ventanas solares sean difíciles de producir y vender.
Hunter McDaniel, jefe ejecutivo de UbiQD, en Nuevo México, está convencido que su compaña tiene ventajas clave en estos sectores. El QD del nombre de la compañía proviene del “quantum dot”, un nanocristal semiconductor. QD’s pueden emitir fluorescencia, re-emitiendo luz en respuesta a la radiación; ellos pertenecen a una clase de substancias conocidas como fluorophores, que son extensamente utilizados para rotular bioquímicos.
Los QD’s también pueden ser insertados en materiales transparentes en una ventana solar para formar concentradores luminiscentes solares (LSCS). Estos LSC’s atrapan luz dentro de la lámina de vidrio y re direccionan la misma hacia una celda solar no transparente montada sobre un borde. Después de absorber luz incidente, los fluorophores re-emiten a diferentes colores, que rebotan entre las superficies de la ventana hacía la celda solar, en vez de escapar o siendo absorbidos por otros dots. Otras compañías como Glass to Power, en Milan, y Physee, en Delft, Holanda, también utilizan esta aproximación.
Los mejores QDs tienen altos rendimientos quánticos –ellos re-emiten mucha luz que han absorbido, la proporción variando con el color de la luz. MCDaniel dice que UbiQD ha creado fluorophores QD infrarrojos que permiten LSC’s de “color neutral”, que no alteran los colores de objetos vistos a través del vidrio, con un 80% de rendimiento cuántico. Para fluorophores de luz visible, el rendimiento cuántico es de 95%. No hay simplemente nada más que pueda acercarse a ello, dice McDaniel.
Se reconoce que la tecnología LSC está todavía en etapas de experimentación. Shara Kurtz, un experto en asuntos fotovoltaicos en el US National Remedable Enery Laboratory (NREL), en Colorado, dijo esto. “Yo no he visto algún reporte que afirma que hay un movimiento a gran escala para producirlo”.
Procesos de Ventanas Solares más avanzados rocían líquidos sobre el viderio donde forman polímeros orgánicos sólidos en un sandwitch de multicapas. El relleno central es una capa de polímero absordente donde los electrones y los huecos se separan. Otras capas de polímeros ayudan a los electrones y huecos a desplazarse hacia sus electrodos.
En el 2017, SolarWindows licencio su proceso de rocío –recubrimiento a Triview Glass Industries, una fábrica de Los Angeles.
Otra meta de SolarWindows es una ventana que transmite el 85% de la luz visible mientras bloquea el infrarrojo y el ultravioleta. La transparencia exacta, color, y tinte establecerá la potencia de salida.
Normalmente, alrededor de 1000 Watts/m2 de energía solar cae sobre la superficie terrestre. Si una ventana solar tiene una transparencia del 50%, absorberá 500W/m2. La eficiencia récord de una celda fotovoltaica orgánica – el % de potencia luminosa convertida la electricidad – es de 11.5%. Si SolarWind puede entregar 10% de eficiencia, entonces 1m2 de ventana puede entregar 50W de potencia de salida, o la suficiente electricidad para alimentar 8 cargadores de smartphones.
Preguntas sobre prospectos de comercialización también están produciendo excitación sobre uno de los más modernos materiales fotovoltaicos: el Perovskita, una clase de substancia hibrida organica-inorganica. La tecnología es similar a la de OPV, pero aquí la parte central del sandwitch consiste en la Perovskita en sustitución al polímero que SolarWindows utiliza. La Perovskita es un semiconductor y, por lo tanto, puede transportar los electrones el mismo, permitiendo reducir o eliminar otras capas del sandwitch.
Esta capacidad, junto con el hecho que los dispositivos de Perovskita son más fáciles de fabricar, ha contribuido a la elevación de su eficiencia del orden de 22.7%, por encima del 3.8% en el 2009.
La Perovskita es sensible a la humedad, pero esto se resolvió con el encapsulamiento del dispositivo. Oxford PV ha trabajado con ventanas solares, pero ahora la compañía está concentrada en impulsar su producto resistente a la humedad solamente en ventanas solares regulares. Al colocar una capa de Perovskita semitransparente en frente de sus celdas solares de silicio de 6-pulgadas, las celdas tándem de Oxford PV han logrado 25% de eficiencia.
Actualmente, las celdas prototipo de Oxford PV de Perovskita poseen una eficiencia ligeramente menos de 20%. Ya desde hace algún tiempo, la compañía estuvo vendiendo celdas en tándem a diferentes usuarios. Las benditas celdas de Perovskita ya están comenzando a aparecer para ser usadas en Ventanas Solares. Sus tamaños están reduciéndose progresivamente y sus eficiencias están incrementándose continuamente. Sin embargo, la producción a escala de las celdas de Perovskita todavía requiere de madurez tecnológica.
La empresa Onyx, creada en el 2015, transformaba paneles de silicio de capa delgada en material fotovoltaico con buena transparencia solar utilizando laser para crear muescas en los paneles. Onyx gano un contrato para la instalación de estos paneles en edificios de alto perfil, incluyendo el Miami Heat’s basketball arena, y sostiene que la instalación se pagó a sí misma en menos de un año. La compañía está actualmente manufacturando más de 5.500 metros cuadrados de vidrio fotovoltaico semitransparente para ser instalados en el Bell Works building en Holmdel, N.J., celebrando el aniversario de la invención del silicio por la Bell.
En el 2025, científicos de la Universidad de Nanjing en China desarrollaron un cristal líquido de colesterina (CLC), que en multiples capas puede ser usada para redirigir la luz y crear un concentrador solar unidireccional incoloro (CUSC). El CUSC puede entonces redirigir la luz utilizando CLCs hacia el borde el vidrio, donde la energía lumínica es capturada al integrar celdas fotovoltaicas de silicio.
Productos, como el mencionado, podrían ser perfectamente añadidos a muchos objetos del quehacer diario, como automóviles, computadores, celulares, y Fotovoltaicos de las Cosas (PVoT).
Rascacielos pueden emplear estos paneles fotovoltaicos en forma masiva para alimentar electricidad directamente a la red eléctrica del edificio, reduciendo el consumo de energía substancialmente.
