Nové technologie ve výrobě fotovoltaických článků

V nedávné minulosti jsme na našem webu psali o křemíku jako hlavním prvku využívaném pro produkci „standardních“ fotoelektrických panelů. Také jsme psali o tenkovrstevných panelech, jež jsou rovněž poměrně rozšířené. V tomto článku si však představíme technologie založené na jiných prvcích, než je křemík, zejména na titanu, přesněji na oxidu titaničitém TiO2. Vývoj těchto technologií je inspirovaný fotosyntézou. Je v plném proudu a připravuje se jeho uvedení na trh.

Solární články vyráběné z krystalického křemíku jsou v současnosti nejrozšířenější technologie na trhu se solárními technologiemi. Je však potřeba říci, že přesto, že jejich účinnost je prozatím nejvyšší (přes 25 %), výrobní proces je náročný (drahá výrobní zařízení, proces vyžadující prostředí o extrémních teplotách), od čehož se přímo úměrně odvíjí i cena. Kromě křemíku jsou proto využívány i další prvky a jejich sloučeniny jako je tellurid kadmnatý, indium či arsenid gallitý. Poslední jmenovaný dokonce drží rekord v účinnosti přeměny slunečního záření (až 28,8 %). Náklady na výrobu takových článků se ukazují jako dokonce ještě vyšší než je tomu v případě křemíkových. Mnohá výzkumná centra po celém světě se proto vydávají jinými směry. Studují amorfní či mikrokrystalický křemík, nanáší jej v tenkých vrstvách či ve tvaru nanodrátků. Jsou produkovány sluneční články založené na kvantových tečkách, organických barvivech složených z titanu či uhlíku (tzv. fotosyntetická technologie výroby), kesteritech... Avšak nejblíže k opuštění laboratorního prostředí, při požadavku na rozumnou výrobní cenu, je pravděpodobně technologie hybridních organicko-anorganických perovskitů.

Minerál perovskit získal jméno po významném ruském diplomatovi a mineralogovi. Disponuje typickou krystalografickou strukturou, na níž je založena i technologie tzv. perovskitových článků. (autor: vvoe, Shutterstock)

Perovskity

Perovskitové solární články získaly svůj název dle stejnojmenného minerálu (CaTiO3). Ten byl pojmenován podle ruského mineraloga Lva Perovského. Solární články však nejsou vyráběny z tohoto minerálu, jedná se jen o sloučeninu stejné krystalografické struktury, jakou perovskit disponuje (struktura ABX3). Perovskitová solární technologie je nejčastěji založena na využití hybridního organicko-anorganického materiálu na bázi olova či halogenidu cínu, které slouží v článku jako aktivní vrstva pro sběr fotonů.

Teoretický limit efektivity solárních článků je v případě těch křemíkových uváděn hodnotou 29 %. U perovskitů však vědci slibují až 33 %. Tohoto v reálných podmínkách prozatím dosaženo nebylo (ačkoliv vzrůst účinnosti této technologie je velmi rychlý na současných 22,7 % v laboratorním prostředí), avšak popularita perovskitů narůstá. Hlavními přednostmi jsou dlouhá životnost solárního „panelu“ a schopnost absorpce téměř všech viditelných vlnových délek světla. Obliba perovskitů se odvíjí i od snadné, časově nenáročné a levné výroby. V současnosti jsou perovskity obvykle nanášeny tzv. rotačně, v budoucnosti by však měla být aplikace značně zjednodušena (nástřikem či tiskem, kdy bude perovskitová suspenze sloužit jako inkoust). Perovskity se pak stanou faktickou konkurencí křemíku, případně s ním budou fungovat v jakémsi tandemu (což ještě navýší celkovou účinnost solárního článku, poněvadž křemík a perovskit společně absorbují většinu vlnových délek viditelného světla).

Nejnovější technologie dovolují výrobu fotovoltaických článků ve velmi pružné formě, která umožňuje široké uplatnění finálního produktu. (autor: laremenko Sergii, Shutterstock)

Nevýhodou, kterou perovskitová technologie přináší, je toxicita. V produktu bývá obsaženo olovo, jehož uvolňování do životního prostředí během výroby i používání je nežádoucí. Výzva však byla i v tomto případě přijata a úvahy vědců v současnosti směřují k nahrazení tohoto prvku jiným, a to cínem, či titaniem. Ty zatím snižují celkovou účinnost článků. Významných pokroků však dosáhli například vědci v projektu, v němž participovali univerzity Brown a Nebraska v USA. Využívají nejedovatý titan v kombinaci s cesiem a bromem (příp. jodem) a poukazují i na jeho výhodu v podobě rezistence vůči korozi. Jiným problémem, kterému výzkumníci čelí, je ztráta výkonu perovskitových PV článků v okamžiku vystavení vlivům vody, ultrafialového záření a vysokých teplot.

Zajímavostí je, že perovskity světlo absorbují, ale též jej mohou emitovat. S tím souvisí další možnosti jejich využití, kupříkladu na výrobu laserů, diod a displejů. Perovskitová solární technologie je považována za vycházející hvězdu v oboru.

Soukromou společností, která se v současnosti aktivně připravuje na prezentaci svého produktu perovskitových článků na trh, je polský startup Sauletech. Jejich články by měly být uvedeny na trh v posledním čtvrtletí roku 2019, tedy zanedlouho. Očekávaná účinnost produktu je cca 10 %, cena 50 EUR za m2. Náklady na elektrickou energii by tedy měly činit asi 0,05 € za kWh. Sauletech aplikuje materiál na pružný podklad, využívá technologii tisku. Tloušťka potisku je 1 mikrometr a hmotnost pouhých 500 g/m2. Solární články budou dostupné v několika barvách a úrovních průhlednosti, je možné je umístit i na sklo, tedy na okna, a očekává se, že bude při jejich využití upřednostňována fasáda před střechami. Prvním investorem, který se chystá tuto konkrétní technologii využít na své budově, je společnost Skanska. Umístí ji na jedné ze svých kancelářských budov.

Fotochemické solární články

Dosavadní solární technologie jsou založeny na polovodičích typu křemíku. Ale již jsme zmiňovali jejich energetickou náročnost. Základem článků však může být i nanokrystalický oxid titaničitý TiO2 v polovodičově čistotě (tzv. Grätzelovy články). Fotoelektrochemický proces fungování tzv. DSSC solární technologie, která je založena právě na sloučenině TiO2 probíhá zjednodušeně takto:

  • TiO2 díky své bílé barvě neabsorbuje světlo, je proto nutné jej „aktivovat“ barvivem
  • foton uvolněný ze Slunce (či z umělého zdroje světla) „zaútočí“ na barvivo, které je aplikované na panelu
  • energie fotonů je použita k „povzbuzení“ přítomných elektronů (jako chlorofyl při fotosyntéze)
  • aktivní elektrony jsou přes nanočástice oxidu titaničitého odvedeny pryč z anody
  • elektron se pohybuje okruhem a napájí spotřebič
  • elektron se přesouvá do platinové katody
  • elektron je „médiem“ z katody (například jodidem) přenesen zpět k barvivu na anodě
  • opakování procesu stále dokola
  • Právě pohyb elektronů okruhem tedy vytváří energii, která je ukládána do baterií či přímo zužitkována třeba žárovkou.

    V současnosti je usilováno o vylepšení struktury oxidu titaničitého za účelem lepší účinnosti článků. Využití této technologie je navíc prozatím limitováno životností produktu, a proto je aplikována jen v armádě, kde je důležité okamžité použití a ne trvanlivost. Dalším vývojem fotochemických procesů ve výrobě energie ze solárního záření se aktivně věnuje mnoho výzkumných center po celém světě. Jedním z nich je i 3G Solar v Izraeli.

    3G Solar využívá právě organických materiálů a nanotechnologických postupů a pokouší se o výrobu elektřiny aplikací procesů, které jsou nápodobné fotosyntéze. Jedná se o výrobu solárních článků na bázi barviv (tzv. DSSC – dye sensitized solar cells), jejichž cenou, barevnou rozmanitostí a tvarem bude možné konkurovat těm běžně dostupným křemíkovým. Výsledným produktem jsou elektrochemické články, které se svým mechanismem podobají spíše bateriím. Důležité je, že DSSC dovoluje výrobu elektřiny v širokém spektru světelných podmínek. Efektivita takových solárních článků je tedy navýšena díky probíhajícím procesům přeměny fotonů na elektrickou energii i v době, kdy je například pod mrakem. Hlavní výhoda DSSC plyne z teoretické účinnosti, která je až 40 % a ze skutečnosti, že je výtěžnost velmi vysoká jak při rozptýleném denním světle, tak při umělém osvětlení třeba LED zdroji (lze hovořit o recyklaci vnitřního osvětlení). Navíc jak materiál, tak výrobní proces článků je nízkonákladový a široké využití této technologie se tak skutečně přiblížilo realitě. V průběhu následujícího roku společnost 3G Solar očekává, že by mělo dojít k distribuci prvních finálních produktů. Budou natištěny na sklo či plastické folie.

    Účinnost versus výtěžnost

    Je však nutné dodat, že účinnost, která je hlavním tématem tohoto textu není vždy tím nejdůležitějším ukazatelem. Důležitá je rovněž energetická výtěžnost za dobu fungování článku, která je často překvapivě vyšší právě u článků s nižší účinností.

    Nové kombinace materiálů, průzkum rozmanitých variací chemických složení i buněčných struktur jsou zkoumány po celém světě. Pokroky jsou obrovské a solární technologie jsou permanentně rozvíjeny. Je tedy téměř jisté, že se veřejnost může těšit na jejich rozšíření. Výroba energie pomocí slunečního záření se pravděpodobně stane běžnou v každé průměrné domácnosti, je jen otázka času, jak rychle to nastane.

    Související články

    Autor: Bc. Helena Široká
    Foto: Shutterstock