Množství energie dopadající na Zemi ze Slunce, by mělo mnohonásobně pokrýt světové nároky na elektřinu, a to bez souběžné tvorby emisí nebo toxického odpadu.

V současnosti pracují experti na mnoha výzkumných projektech, jejichž cílem je vyvinout solární panely, které budou levnější, výkonnější nebo budou mít delší životnost. Ideálně by měly spojovat všechny tyto vlastnosti.

Drahá energie

I když se cena elektřiny ze sluneční energie stále snižuje, neděje se tak zatím dostatečnou rychlostí. Státy, které podepsaly Pařížskou dohodu o klimatu, by měly mimo jiné během 20 let dosáhnout toho, aby elektřina ze solárních panelů tvořila 30 procent jejich produkce elektřiny.

Například USA v současnosti produkují solární panely 60 gigawattů a odhaduje se, že to bude v pěti letech dvojnásobek. Čína, jen v roce 2017, zvedla výrobu solární energie o 60 GW.

Pro cíle v Pařížské dohodě o klimatu bude ale zapotřebí zvýšit produkci solární energie na úroveň terawattů. Buď se musí zhruba padesátinásobně zvýšit výroba klasických křemíkových panelů, nebo bude nutné vyvinout nové typy panelů.

Ptačí pohled upozorňuje na slabé místo nynějších solárních panelů – nízkou účinnost. Solární elektrárny tak zabírají příliš místa | zdroj: Profimedia

Většina fotovoltaických článků funguje v zásadě stejně. Dopad fotonů na vrstvu polovodičů uvolní elektrony. Na jejich místě zůstanou takzvané díry, elementární kladný náboj. Elektrony tečou k elektrodě a pak se u opačné elektrody rekombinují s dírami.

Pro uvolnění elektronu z křemíkové panelu je zapotřebí 1,1 elektronvolt (1 elektonvolt je kinetická energie elektronu urychleného ve vakuu napětím 1 voltu). Fotony s menší energií elektron neuvolní.

Fotony s větší energií se vyzáří jako teplo. Tím je dán limit maximální využitelnosti světla křemíkovými panely na 32 procent. Jde o limit v dokonalých podmínkách, které jsou prakticky nedosažitelné a účinnost křemíkových solárních panelů se pohybuje mezi 15 a 19 procenty.

Vrstva vyrábějící elektřinu navíc musí být minimálně 200 mikrometrů tlustá a celý panel má ve výsledku podobu těžké skleněné desky.

CdTe a CIGS

Nové technologie umožňují tvorbu stále rafinovanějších pastí na sluneční světlo. Nové panely jsou tenčí nebo ohebnější. Novými typy polovodičů, které umožňují výrobu tenkých ohebných panelů, jsou například CdTe (telurid kadmium) a CIGS (sloučenina mědi, india, gallia a selenu).

Tyto dva materiály v současnosti sdílí asi 5 procent trhu s fotovoltaickými články. I když mají velký potenciál, v tom, aby se staly solárními panely budoucnosti, jim brání to, že jejich nezbytnou součástí jsou vzácné prvky Tellur a Kadmium.

Organické panely

A nešlo by použít něco, co není vzácné? Ano šlo. Polovodiče se dají vyrábět i z organických materiálů.

Organické polymery a barviva se dají syntetizovat ve velkém z levných materiálů. Výsledkem jsou lehké a ohebné panely.

Bohužel i zde je radost předčasná. Organické panely s vyšší výkonností na vzduchu oxidují. Dalo by se tomu zabránit například tím, že by se překryly skleněnou deskou, ale to bychom se dostali zpátky k těžkým neskladným panelům.

Nicméně i nápad se sklem je perspektivní. Dají se vyrobit průhledné organické panely, které pohlcují pouze infračervené světlo a ostatní světelné délky propouští.

Takový panel může být mezi dvěma skleněnými deskami okna. Propustí zhruba 43 procent světla, což je stejné jako okno s antireflexní vrstvou. Panel nastavený na infračervené světlo má sice výkonnost jen 7 procent, ale instalace na příklad do velkých prosklených stěn kancelářských budov by se i tak vyplatila.

Organické panely nebudou nejvýkonnější, ale nabízí široké uplatnění při instalaci do oken nebo zdí. Výkonnost organických panelů se dá zvyšovat při kombinaci s grafenem, supertenkou formou uhlíku, která je průhledná a polovodivá.

Perovskity

Při výrobě panelů nejde samozřejmě jen o to, jak jsou levné. Důležitá je i návratnost investice. Záleží na výkonnosti i výdrži panelů.

Struktura perovskitu | zdroj: PNAS

Dalším slibným materiálem proto jsou také perovskity (CaTiO_3, oxid titaničito-vápenatý). Tento minerál má unikátní strukturu. V jeho molekule jsou tři volná místa, která mohou být obsazena třemi různými ionty. Dají se tak vyrábět materiály z různými vlastnostmi. Jeden z modifikovaných krystalů perovskitů obsahující olovo může tvořit tenké panely s výkonností 23 procent.

Této výkonnosti bylo přitom dosaženo již po jednom desetiletí výzkumu. A existuje potenciál pro další zlepšení. Toxické olovo ale představuje problém. Proto se testují krystaly, ve kterých je olovo nahrazeno cínem.

Dalším problémem perovskitů je, že ve vlhku degradují. Existuje ale jednoduché řešení, kdy se vrstva krystalů překryje vrstvou jinak modifikovaných krystalů, které jsou odolnější na vlhko. Pak takový článek vydrží 10 000 hodin provozu a jde o řešení výrazně levnější než překrytí článku plastem nebo sklem.

Kombinované panely

Další testovanou možností, jak zvýšit výkon fotovoltaických článků, je tvorba vícevrstevných článků z různých materiálů. Například horní vrstva může využívat viditelné světlo a spodní vrstva infračervené.

Kombinovaný článek s horní křemíkovou vrstvou a spodní vrstvou z perovskitů má potenciální výkonnost až 43 procent. Ve skutečnosti bylo dosaženo 27,3 procenta a pro komerční využití jsou vyvíjeny články se slibovanou účinností 25 až 26 procent. Ve výzkumu se navíc zvažuje přidat třetí vrstvu z nanomateriálů, která by mohla účinnost panelu zvýšit o dalších 6 procent.

Když se ale panely skládají na sebe, vzniká problém, kdy je třeba řešit různé napětí vznikající v článcích z různých materiálů. Alternativu představují články, kdy nejsou jednotlivé panely pod sebou, ale v pruzích vedle sebe. To umožňují nové typy nanomateriálů, které se dají využít k výrobě reflexních vrstev a krystalů, distribuujících světlo o různých vlnových délkách ke konkrétním typů panelů. Kombinovaný panel slibuje výkonnost až 50 procent.

Zatím není jasné, jestli některá z popsaných technologií umožní natolik výrazně zlepšit efektivitu solárních panelů, aby se daly používat pro výrobu elektřiny v terawattových objemech. Je ale patrné, že výsledkem intenzivního výzkumu by mohla být levná elektrická energie bez emisí.

Battersby S. The solar cell of the future. PNAS 2019; 116: 7-10. https://www.pnas.org/content/116/1/7

zdroj: YouTube