Samoczyszczące się panele słoneczne
CanvaCzyszczenie szklanych elewacji i instalacji solarnych jest kosztowne i czasochłonne, a brud zmniejsza wydajność modułów. To wystarczające powody, aby badać powierzchnie, które minimalizują ten wysiłek. Instytut Fraunhofera ds. Elektroniki Organicznej, Technologii Wiązki Elektronów i Plazmy FEP odniósł sukces w nanoszeniu krystalicznego tlenku tytanu na ultracienkie szkło przy użyciu procesu „roll-to-roll”. W ten sposób osiągnął powierzchnie hydrofobowe, które stają się superhydrofilowe pod wpływem światła UV.
W 2021 r. fotowoltaika pokrywała 8,9% zużycia energii elektrycznej brutto w Niemczech przy produkcji energii elektrycznej na poziomie 50 TWh. Odporne na zabrudzenia, łatwe do czyszczenia powierzchnie zapewniają przejrzystość i czystość elewacji oraz bardziej wydajną i spójną produkcję energii słonecznej, przy niższych kosztach konserwacji.
– Koncentrujemy się tutaj na fotoindukowanej hydrofilowości na powierzchniach – wyjaśnia doktorant Valentin Heiser z Fraunhofer FEP. – Aby zwiększyć skalę tego efektu, po raz pierwszy nakładamy krystaliczny tlenek tytanu na ultracienkie szkło w procesie roll-to-roll. Jest to bardzo wydajne. Ultracienkie i lekkie szkło można nakładać później na elewacje lub bezpośrednio wbudowywać w moduły fotowoltaiczne jw postaci materiału kompozytowego. Zastosowanie znajdzie ono nawet na zakrzywionych powierzchniach.
Dwutlenek tytanu zmienia swoją hydrofilowość. Nienapromieniowany jest hydrofobowy, tj. tworzy krople wody. Po napromieniowaniu jest superhydrofilowy, tj. całkowicie nawilżający. W przypadku hydrofilowości fotoindukowanej powierzchnia zmienia się z hydrofobowej na superhydrofilową po ok. 30 minut naświetlania światłem UV przypominającym słońce.
Efekt ten oznacza, że na powierzchniach z taką powłoką z dwutlenku tytanu nie osadza się żaden brud lub jest go bardzo mało. Jeśli na przykład kurz uliczny, piasek lub inne zabrudzenia osadzają się na szklanych fasadach lub panelach słonecznych, są one zmywane przez nocną hydrofobowość powierzchni przez kropelki deszczu. Ponadto cykliczna przemiana właściwości hydrofobowych i superhydrofilowych powoduje, że brud nie przylega do powierzchni w ciągu dnia.
Tlenek tytanu aktywowany światłem UV rozkłada również cząsteczki organiczne na powierzchni poprzez fotokatalizę. W ten sposób uzyskuje się antybakteryjne i sterylne powierzchnie, które są szczególnie interesujące w zastosowaniach z gatunku techniki medycznej lub w połączeniu z elastycznymi wyświetlaczami.
Naukowcy z Fraunhofer FEP opracowali właśnie pierwsze powłoki: rolka cienkiego szkła o szerokości 30 cm i długości 20 m, o grubości szkła 100 mikrometrów, została pokryta 30-150 nanometrami tlenku tytanu w rolce system rolkowy. Ta pilotażowa instalacja do powlekania cienkiego szkła typu „roll-to-roll” (FOSA LabX 330 Glass firmy VON ARDENNE).
Jednym z wyzwań dla tego pokazowego projektu jest to, że cienkie szkło jest bardzo nowym podłożem o znacznych wymaganiach w zakresie obsługi, ponieważ bardzo łatwo pęka i reaguje wrażliwie na naprężenia termiczne i mechaniczne. Po drugie, dwutlenek tytanu osiąga swoje szczególne właściwości hydrofobowości i hydrofilowości tylko wtedy, gdy jest krystaliczny. Do tego wymaga wysokich temperatur podczas produkcji. Powłoki napylające spełniające te wymagania nie mogły być dotychczas realizowane w technologii roll-to-roll, ponieważ zwykłe podłoża, takie jak folie, nie były w stanie wytrzymać wysokich temperatur. W tym przypadku cienkie szkło stanowi alternatywę.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Dzięki tej pracy za pośrednictwem NewSkin naukowcy Fraunhofer FEP pracują obecnie nad połączeniem właściwości dwutlenku tytanu i cienkiego szkła w optymalny i ekonomiczny sposób. Pierwsze udane powłoki na ultracienkim szkle utorowały temu drogę. Naukowcy z Uniwersytetu w Uppsali, partnera Newskin, pracują nad przeniesieniem wyników na folie polimerowe.
W przyszłości Fraunhofer FEP będzie prowadził prace nad systemami warstw, które można aktywować nie tylko światłem UV, ale także światłem widzialnym. Rozważane jest również wytwarzanie i osadzanie nanocząstek lub domieszkowanie, np. azotem.
NewSkin Open Innovation Test Bed (OITB) oferuje unikatowe pilotażowe urządzenia do prototypowania, zwiększania skali i testowania oraz dostępne dla wszystkich usługi wprowadzania na rynek, aby przyspieszyć komercjalizację innowacyjnych materiałów i technologii nanopowierzchni i membran w całej Europie. NewSkin jest jednym z wielu OTIB finansowanych przez UE i oferuje laboratoriom badawczym, MŚP i przemysłowi otwarty dostęp do 10 najnowocześniejszych obiektów do rozbudowy i 9 testów.
Powstałe w ten sposób ulepszone powierzchnie i membrany przyspieszone dzięki NewSkin OITB zapewnią zaawansowane funkcje, ochronę materiałów, uzdatnianie wody, zastosowania tribologiczne, oszczędność paliwa w transporcie, wydajność produkcji energii odnawialnej i nie tylko, zarazem wpływając na społeczeństwo i kluczowe sektory przemysłu oraz pomagając w zielonej transformacji UE .
Badacze Fraunhofer FEP zaprezentują wstępne wyniki tych powłok wraz z innymi atrakcjami na targach BAU 2023 w Monachium w dniach 17–22 kwietnia 2023 r. na wspólnym stoisku firmy Fraunhofer nr C2-528.
Źródło: Fraunhofer Institute
