Międzynarodowa Agencja Energii (IEA) podała, że budynki zużywają ponad 30 % energii produkowanej na całym świecie. Wraz ze wzrostem liczby ludności i wielkości gospodarstw domowych, postępem w zakresie gotowania i urządzeń elektrycznych oraz zmianami w stylu życia ludzi, oczekuje się dalszego, nawet dwukrotnego wzrostu do 2050 r. [B. Duzgun, et al., Energy Sustain. Dev., 2022, 70, 371-386].
Ogólnie rzecz biorąc, ilość promieniowania słonecznego wpadającego do pomieszczenia znacznie wzrasta w słoneczny dzień, a co za tym idzie, zużycie energii w pomieszczeniu wzrasta wraz z użyciem klimatyzatorów szczególnie w popularnych obecnie budynkach o wysokim stosunku okna do ściany [D.B. Jani, et al., J. Build. Eng., 2018, 18, 107-124]. Integracja fotowoltaiki z architekturą budynku może znacznie zmniejszyć obciążenia chłodnicze, kontrolować promieniowanie słoneczne wpadające do pomieszczenia oraz ograniczać olśnienie światłem pochodzące z okien [K.S. Srivishnu, et al., Energies, 2023, 16, 889].
Chociaż obecny rynek jest zdominowany przez wysoce wydajne moduły na bazie krzemu, nie są one idealne do zastosowań BIPV ze względu na ich nieodpowiedni wygląd estetyczny i brak przejrzystości. Z kolei materiał perowskitowy ma wyjątkowe właściwości optyczne i elektryczne, co czyni go zaawansowaną technologią fotowoltaiczną. Należą do nich: wysoki współczynnik absorpcji, przestrajalne pasmo wzbronione, wysoka długość drogi dyfuzji, małe straty rekombinacyjne nośników oraz wysoka ruchliwość nośników. Dzięki tym właściwościom możliwe jest wytwarzanie półprzezroczystych ogniw słonecznych, w których część światła jest pochłaniana przez warstwę zbierającą światło, a część może przechodzić przez ogniwa. Dostrajając pasmo wzbronione, można kontrolować przezroczystość, tworząc cienką warstwę perowskitu [S. Rahmany, L. Etgar, ACS Energy Lett., 2020, 5, 1519-1531].
W ogniwie perowskitowym, nawet przy cienkiej warstwie pochłaniającej rzędu 500 nm, wydajne zbieranie światła jest gwarantowane, ponieważ perowskity mają wysokie współczynniki absorpcji, które zapewniają wysoką przezroczystość, niezbędną do zastosowań BIPV [S. DeWolf, et al., J. Phys. Chem. Lett., 2014, 5, 1035-1039]. W technologiach cienkowarstwowych perowskit wykazuje znacznie wyższą wydajność niż ogniwa typu CIGS, GaAs i CZTS przy dowolnej grubości. Możliwość dostrojenia optycznego pasma wzbronionego w perowskitach jest jedną z zasadniczo obiecujących właściwości dla różnych zastosowań optoelektronicznych. Najprostszą metodą jest zmiana kompozycji. Obecnie inżynieria składu w absorberach perowskitowych jest śledzona z punktu widzenia poprawy stabilności, a sama przestrajalność pasm wzbronionych umożliwia wytwarzanie kolorowych ogniw. Jednorodne nałożenie warstwy perowskitu na podłoże jest kluczowym czynnikiem pozwalającym uzyskać wysokie sprawności powyżej 25% [B. Shi, et al., Adv. Mater., 2020, 32, 1806474].
Wysoka trwałość jest kolejnym istotnym wymogiem dla BIPV, ponieważ panele słoneczne byłyby narażone na zmienne warunki pogodowe. Ogniwa perowskitowe wykazują wyjątkowe właściwości mechaniczne, w tym dużą odporność na zginanie i dużą wytrzymałość na nacisk. Ze względu na niskie temperatury krystalizacji perowskity mogą być osadzane zarówno na sztywnych, jak i elastycznych powierzchniach.
Możliwość zmniejszenia przezroczystości ogniwa perowskitowego okazuje się być przełomem. Gdy grubość perowskitu jest mniejsza niż głębokość penetracji, wówczas ultracienki absorber może przepuszczać światło widzialne. Jedną z takich metod wytwarzania ultracienkich ogniw perowskitowych jest powlekanie wirowe o niskim stężeniu reagentów, a sugerowaną techniką jest współodparowywanie. Naukowcy opracowali ogniwo o grubości absorbera perowskitowego w granicach 50 nm do 300 nm osiągając wydajność odpowiednio 4,6 i 13,6 % przy średniej przezroczystości wynoszącej 7% (AVT – ang. averaged visible transparency). Badania wykazały również, że zastosowanie dodatków w roztworze perowskitu może zwiększyć stabilność i przejrzystość do ok. 17,3% [S. Rahmany, et al., Sustain. Energy Fuels, 2017, 1, 2120-2127].
Pewien stopień półprzezroczystości można uzyskać poprzez utworzenie przezroczystych obszarów wykorzystując techniki odwadniania lub szablonów w mikroskali. Kontrolując obszar perowskitu, specyficzna struktura może być wykorzystana do stworzenia ogniw słonecznych
o neutralnym kolorze. Przy wytwarzaniu perowskitowych ogniw półprzezroczystych zalecane jest uporządkowanie mikrostruktury. Wykorzystując metodę mikrosfer polistyrenowych opracowany został mikroporowaty typ ogniwa. Modyfikując średnice polistyrenu (PS) uzyskano półprzezroczysty perowskit o sprawności na poziomie 11,7 % i współczynniku AVT ok. 36,5 % [B.X. Chen, et al., J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 15662-15669].
Rozważając wydajność urządzenia, struktura ma kluczowe znaczenie. Pomimo faktu, że liczne badania wykazały, w jaki sposób dodatki małocząsteczkowe mogą poprawić właściwości półprzezroczystych ogniw perowskitowych, to zastosowanie dodatku w postaci mikrożelu wytworzyło wysoce uporządkowaną strukturę osiągając współczynnik AVT na poziomie 25,3 % przy sprawności wynoszącej 11,64% [O.M. Alkhudhari, et al., J. Mater. Chem., 2022, 10, 10227-10241].
Aby opracować półprzezroczyste ogniwo perowskitowe, zarówno katoda, jak i anoda powinny być przezroczyste. W przypadku organicznych ogniw słonecznych elektrody są zwykle wykonane z przezroczystych tlenków przewodzących (TCO), np. tlenku cynowo-indowego (ITO). Uzasadnione jest oczekiwanie, że zastosowanie elektrod TCO po obu stronach poprawi transmitancję i wydajność urządzeń półprzezroczystych [P. Qin, et al., Sci. China Chem., 2017, 60, 472-489]. Naukowcy wykazali, że korzystając z metody osadzenia laserem pulsacyjnym (PLD) można umieścić warstwę ITO bezpośrednio na perowskicie otrzymując półprzezroczyste ogniwo o sprawności równej 18% [K.P. Zanoni, et al., Adv. Mater. Technol., 2022, 7, 2101747]. Elastyczna architektura urządzenia jest zwykle oparta na elastycznych podłożach powlekanych ITO, ale niestety, w trudnych warunkach zginania z promieniem gięcia około 4 mm, wydajność ogniw perowskitowych opartych na kruchym ITO jest drastycznie zmniejszona z powodu powstawania pęknięć. W przeciwieństwie do TCO warstwy metali np. Ag czy Al są wyjątkowo przezroczyste, przewodzące i plastyczne jeśli ich grubość jest mniejsza niż 20 nm. Reakcji półprzewodników perowskitowych z metalem można uniknąć poprzez dodanie warstwy ochronnej na katodzie [R. Chen, et al., Adv. Funct. Mater., 2022, 32, 2200651]. Alternatywnie, materiałem o wysokiej przewodności, łatwości obróbki, i stabilności są nanorurki srebrne (AgNW) umożliwiające osiągnięcie sprawności półprzezroczystego ogniwa perowskitowego około 7,3 % przy 23,3% współczynniku AVT [X. Sun, et al., J. Mater. Sci., 2020, 55, 14893-14906].
Niezwykle ciekawe rozwiązanie zaprezentowali naukowcy z Singapuru, którzy wykazali, że warstwę perowskitową można rozcieńczyć, aby uzyskać półprzezroczystość, co ma wiele zalet wraz z opłacalnością i redukcją ołowiu, proces ten prowadzi jednak do ograniczonej absorpcji światła. W związku z tym możliwe jest zastosowanie nanostruktur metalowych, które są plazmoniczne, w celu zwiększenia pola elektromagnetycznego poprzez uwięzienie padającego światła na szczytach rezonansu, aby zapobiec tej utracie. Tak wykonane ogniwo wykazało 13,7 % sprawności z 2 7% współczynnikiem AVT [S. Lie, et al., ACS Appl. Mater. Interfaces, 2022, 14, 11339-11349].
Spośród dostępnych technologii fotowoltaicznych ogniwa perowskitowe znakomicie nadają się do zastosowań BIPV ze względu na ich aspekty materiałowe, estetyczne kolory i łatwość produkcji na elastycznym podłożu. Aktualna sprawność perowskitowych ogniw słonecznych jest bardzo wysoka w porównaniu z innymi technologiami cienkowarstwowymi, dlatego w niedalekiej przyszłości można spodziewać się coraz większej liczby aplikacji BIPV opartych na tej technologii.
