یک تیم پژوهشی از دانشگاه نانجینگ در چین پوشش شفاف جدیدی ابداع کردهاند که میتواند هر شیشهٔ معمولی را بهطور نامرئی به یک پنل خورشیدی تبدیل کند، در حالی که شفافیت و کارکرد پنجره حفظ میشود. این فناوری که بهصورت فنی «همگن تفکیکگر رنگی و یکجهته برای تمرکز خورشیدی» یا CUSC نامیده میشود، نور خورشید را طوری هدایت میکند که بخشی از فوتونها به لبههای پنل منتقل شده و توسط سلولهای فوتوولتائیک نصبشده در کنارهها به برق تبدیل شوند، و بخش دیگر نور بدون تغییر از شیشه عبور کند.
پیشزمینه علمی و مواد سازنده
به گزارش فوتونیکس، این پوشش از کریستالهای مایع کُلِسترُییدیک (cholesteric liquid crystals – CLCs) ساخته شده است؛ موادی که قادرند با ساختار موجی نور تعامل ویژهای داشته باشند. با قرار دادن لایههای مختلف CLC میتوان طیف وسیع نور مرئی را هدف گرفت. طراحی CUSC تنها یک قطبش (polarization) مشخص از نور را انتخاب و بازتاب یا پراش میدهد تا آن را در یک موجگردان شیشهای (glass waveguide) به زوایای شیبدار هدایت کند؛ به این ترتیب پنجره همچنان شفاف و کاربردی باقی میماند.
کارآیی آزمایشی و عملکرد
در آزمایشهایی که با لیزر سبز انجام شد — طول موجی که چشم انسان به آن حساسترین است — این پوشش توانست تا 38.1 درصد از انرژی قابل دسترس را جمعآوری و تبدیل کند. وقتی شرایط واقعی خورشیدی و طیف کامل نور در نظر گرفته شد، کارآیی کلی به 18.1 درصد رسید. پژوهشگران همچنین گزارش دادهاند که پوشش هنوز 64.2 درصد از نور مرئی را عبور میدهد و دقت رنگ را تا 91.3 درصد حفظ میکند؛ یعنی پنجره از نظر ظاهری تغییر چندانی نشان نمیدهد.
نمونهٔ اولیه و ظرفیت بالقوه
محققان نمونهٔ آزمایشی یکاینچی از این پوشش ساختهاند که انرژی کافی برای راهاندازی یک پنکهٔ کوچک تولید میکند. اگر این فناوری در مقیاس پنجرههای کامل و بهصورت جهانی گسترش یابد، میتوان از پنجرههای ساختمانها بهعنوان منبع انرژی تجدیدپذیر گسترده یاد کرد؛ سطح بالقوهٔ تولید میتواند تا تِراواتها انرژیِ سبز را شامل شود.
مزایا، محدودیتها و مسیرهای بهبود
مزایای اصلی CUSC عبارتاند از شفافیت بالا، سازگاری با پنجرههای معمولی و مقیاسپذیری بالقوه. با این حال پژوهشگران تأکید میکنند که برای تجاریسازی نیاز به کار بیشتر بر روی پایداری پوشش، فرآیندهای تولید و افزایش بازده تبدیل توان (اکنون حدود 3.7 درصد از کل تابش خورشیدی ورودی به برق تبدیل میشود) وجود دارد. در مقالهٔ منتشرشدهٔ تیم آمده است: «برای افزایش مقیاس تولید، لازم است چند بهبود در مواد و فرآیندها در نظر گرفته شود.»
تأکیدات فنی و کلام پژوهشگران
مهندس اپتیک وی هو میگوید: “طراحی CUSC گامی رو به جلو در یکپارچهسازی فناوری خورشیدی در محیط ساختهشده بدون قربانیکردن زیباییشناسی است.” دِوِی ژانگ، مهندس اپتیکی دیگر، میافزاید: “با مهندسی ساختار فیلمهای کریستال مایع کلسترئیک، سیستمی تولید کردهایم که بهطور انتخابی نور مدور قطبیده را پراش میدهد و آن را به موجگردان شیشه در زوایای تند هدایت میکند.” این توضیحات نمایانگر تمرکز روی کنترل جهت و قطبش نور برای دستیابی به کارآیی بالاتر است.
فناوریهای مرتبط و چشمانداز آینده
CUSC در بستر دستهٔ فناوریهای شفاف خورشیدی یا BIPV (ساختوساز یکپارچه با فتوولتائیک) قرار میگیرد و با رویکردهایی مانند سلولهای خورشیدی شفاف ارگانیک یا پرovسکایتها مرتبط است. برای رقابت با پنلهای سنتی لازم است هم هزینهٔ تولید کاهش یابد و هم بازده تبدیل بهبود یابد؛ اما مزیت بزرگِ CUSC امکان نصب آسان بر روی پنجرههای موجود بدون تغییرات سازهای عمده است.
نتیجه گیری
پوشش شفاف CUSC نمونهای از تلفیق طراحی اپتیکی و مواد پیشرفته است که میتواند پنجرههای معمولی را به منابع تولید برق تبدیل کند بدون آنکه شفافیت و ظاهر فضا را بهطور چشمگیری تغییر دهد. هرچند نتایج اولیه امیدوارکننده است، کارایی کلی و پایداری تولید هنوز نیازمند بهبود است تا این فناوری به سطح تجاری و گسترده برسد. توسعهٔ بیشتر مواد، فرآیندهای ساخت و آزمایشهای میدانی لازم است تا پتانسیل واقعی این رویکرد در کاهش انتشار کربن و تأمین انرژی خودکفا محقق شود.
