Китайские учёные создали стекло, которое само регулирует прозрачность и при этом вырабатывает и хранит энергию
Китайские исследователи представили прототип «умного» окна, которое не только регулирует прозрачность по команде, но и самостоятельно обеспечивает себя электроэнергией. Эта разработка, способная накапливать избыточную энергию, может кардинально изменить подход к проектированию энергоэффективных зданий, однако путь к массовому внедрению таких технологий пока остается тернистым. Вместо того чтобы просто констатировать факт создания очередного гаджета, мы разбираемся, какие барьеры стоят на пути этой инновации и почему она важна для рынка строительных материалов.
Солнечная батарея и электрохромное стекло в одном флаконе
Ученые из Хэнаньского университета интегрировали в единую конструкцию три ключевых элемента: тонкопленочный солнечный элемент на основе кестерита (CZTSSe), электрохромное покрытие из биметаллического оксида никеля-кобальта (NiCoO2) и накопитель энергии на основе оксида титана (TiO2). По сути, это не просто стекло, а автономная энергосистема, встроенная в оконный проем.
Принцип работы заключается в следующем: фотоэлемент генерирует ток, который подается на электрохромный слой. Под воздействием напряжения пленка NiCoO2 меняет свою прозрачность, блокируя или пропуская солнечный свет. Излишки энергии запасаются в слое TiO2, который одновременно выполняет функцию и электрохромного, и накопительного материала.
Технологические детали: от кестерита до нанохлопьев
Солнечный элемент создан на стеклянной подложке с молибденовым покрытием. В качестве поглотителя используется кестерит — минерал, который, по мнению разработчиков, идеально подходит для массового производства из-за доступности и простоты синтеза из распространенных элементов. Буферный слой из сульфида кадмия (CdS) и прозрачные электроды из оксида цинка (ZnO) и оксида индия-олова (ITO) завершают структуру фотоэлемента.
Ключевая инновация кроется в методе получения электрохромных пленок NiCoO2. Используя технологию химического осаждения из ванны (CBD), ученые создали структуру из нанохлопьев. Именно пористая форма и синергетический эффект от взаимодействия никеля и кобальта обеспечивают высокую скорость переключения и широкий диапазон регулировки прозрачности. В ходе испытаний стекло продемонстрировало нейтральный оттенок тонировки — важный фактор для коммерческого успеха, так как пользователи часто негативно воспринимают цветные стекла.
При тестировании в стандартных условиях освещенности прототип показал общую эффективность 2,15% и энергопотребление 318,3 мВт·ч/м2. Эти показатели сопоставимы с большинством существующих фотовольтаических окон, но для реального рынка этого пока недостаточно.
В предшествующие годы основным направлением развития «умных» окон было либо совершенствование электрохромных материалов, либо интеграция с внешними источниками питания. Главным камнем преткновения оставалась высокая стоимость производства и недостаточная долговечность таких систем. Разработка китайских ученых решает проблему автономности, но ставит новые вопросы. Кестерит, хоть и дешевле традиционных материалов для солнечных батарей, все еще требует отработки технологий массового напыления. Кроме того, заявленная эффективность в 2,15% — это лишь лабораторный результат. В реальных условиях, при изменении угла падения света и частичном затенении, этот показатель может значительно снизиться. Также остается открытым вопрос о сроке службы нанохлопьев NiCoO2 при циклическом переключении в течение 10-15 лет, что является стандартным сроком эксплуатации окон. Тем не менее, сама концепция самопитающегося окна, способного накапливать энергию, является серьезным шагом вперед, так как снимает необходимость в прокладке дополнительных кабелей и снижает нагрузку на инженерные системы здания.
