Můžeme ještě zvýšit účinnost slunečních článků?

Na obzoru je nový materiál pro výrobu slunečních článků. Stane se při přeměně sluneční energie na elektřinu nejúčinnějším materiálem perovskit?

Slunce je neomezeným zdrojem čisté energie. Za hodinu vyšle na Zemi tolik energie, že by stačila uspokojit spotřebu lidí ve světě po dobu celého roku. Fotovoltaické články dnes poskytují celkový výkon 140 GW, což představuje asi 1 % světového výkonu všech elektráren. Od jejich vynálezu ve 40. letech 20. století trvalo křemíkovým slunečním článkům půl století, než dosáhly své maximální přibližně 25 % účinnosti.

Stále modernější články

Sluneční panel na střeše dosahuje při plném ozáření účinnosti asi 15 % a vyrábí 1 watt za zhruba 50 centů. To je oproti nákladům v uhelných elektrárnách asi dvojnásobek. Mladší sluneční články, například CIGS (copper indium gallium selenide) a z teluridu kadmia, jsou výhodnější. Telurid kadmia je laciný jako křemík, zatímco CIGS může být tištěn na pružné povrchy. Při maximální účinnosti okolo 20 % není ale ani jeden z nich jedničkou na trhu. Rekordní účinnost již dlouho drží sluneční článek na bázi arzenidu galia, který přeměňuje na elektřinu až 30 % slunečního záření, ovšem s mnohem vyššími náklady. 

Přišel na to student

S těmito parametry však může otřást materiál, který po dlouhé době zkoumání objevil Japonec Tsutomu Miyasaka. Student University of Tokio si v dubnu 2007 nesl do své univerzitní laboratoře nikterak pozoruhodný minerál známý jako perovskit (metatitaničitan vápenatý – CaO.TiO₂). Brzy se ale ukázalo, že se jedná o něco zcela výjimečného. Když Miyasaka v roce 2009 zveřejnil výsledky prvního slunečního článku na bázi perovskitu, přeměňoval článek sluneční záření na elektřinu pouze s účinností 4 %, ale do roku 2012 tento ukazatel vzrostl na více než 10 %, takže si toho všimli i jiní výzkumníci. Celá řada týmů ve světě se proto začala tímto materiálem zabývat a účinnost se podařilo zvyšovat až na 20 %, což překračuje účinnosti dnes dostupných slunečních článků. Fyzik Michael Johnston z University of Oxford k tomu poznamenal, že „vývoj je tak rychlý, že všichni již skáčou na palubu“. Je tato sluneční technologie onou technologií, na kterou už každý čeká? 

Perovskit

Perovskit se nachází v rudách po celém světě, zejména však na Urale, kde byl v krystalické formě objeven začátkem 19. století. Krystal obvykle obsahuje tři typy iontů. Miyasakovy vzorky obsahovaly amoniak, olovo a buď brom, nebo jod. 

V konvenčních slunečních článcích absorbuje sluneční záření polovodič, například křemík. Produkuje elektrony a jejich pozitivní protějšky – jamky (holes). Ty pak oddělí a vytváří tok nabitých částic, tj. elektrický proud. Jen málo materiálů přitom může absorbovat jak dostatek světla o správné vlnové délce, tak rozptylovat náboje. Proto se do slunečních článků citlivých na barvu přidává pigment, který zajistí absorpci ještě před přenosem nábojů do polovodiče k separaci.

K bodu zlomu došlo, když si Miyasaka a jeho spolupracovníci uvědomili, že perovskit vlastně nepotřebuje polovodič, protože může elektrony a jamky přesouvat sám. Zatím je záhadou, jak to přesně probíhá. Jedna z teorií má za to, že snadné krystalizaci tohoto materiálu – nedochází při ní k tvorbě defektů, které by jinak volný tok nábojů zastavily.

Snadná výroba

Perovskit je laciný a lze ho snadno vyrobit. Fotovoltaické články se mohou vyrábět postupem obvyklým při výrobě křemíkových článků, totiž ukládáním z par. Ještě levnější je technologie, kdy se roztok obsahující perovskit lije na substrát a nechá zkrystalizovat. Snaith z University of Oxford doufá, že se sluneční články z perovskitu dostanou na trh do konce roku 2016 a bude tak možné vyrábět elektřinu za 10 centů za watt. 

V dubnu 2014 oznámil Yang Yang z University of California, Los Angeles, že článek z perovskitu dosáhl rekordní účinnosti 19,3 %. Tento údaj však ještě musí potvrdit US National Renewable Laboratory. Snaith dosud podrobnosti neprozradil. Uvedl ale, že nový článek snad překoná limit, který v 60. letech 20. století stanovili fyzici William Shockley a Hans Queisser. Ti dospěli k závěru, že žádný sluneční článek nemůže přeměnit na elektřinu více než asi jednu třetinu slunečního záření.

Výzkum pokračuje

Zbývá ještě mnoho práce, než sluneční články na bázi perovskitu vstoupí na komerční půdu. Současné Perovskity obsahují většinou toxické olovo. Perovskity na bázi cínu by rovněž mohly zastat uvedenou práci, ale účinnost jejich slunečních článků je zatím – i když se rychle zvyšuje – jen několik procent. Větší problém působí skutečnost, že perovskity absorbují vlhkost, bobtnají a ztrácejí schopnost využívat teplo. Podle Snaitha by řešením mohlo být jejich zalití do skla, jak je tomu u mnoha slunečních modulů. 

Perovskity mohou být ale využity i mimo fotovoltaiku. Michael Graetzel a kol. ze Swiss Federal Institute of Technology, Lausanne, ukázali, že by tyto materiály mohly emitovat světlo a tím umožnit vznik levných laserů pro telekomunikace nebo displeje s vysokým rozlišením. Takové displeje by mohly být dvojnásobně větší a mohly by sloužit na reklamních billboardech.

Snaith věří, že fotovoltaika bude jednou produkovat většinu elektřiny. Pokud perovskity úspěšně odstartují během deseti let, budou vyrábět terrawatthodiny elektřiny a současný křemíkový průmysl se proti nim stane zanedbatelným.

Podle: Ion Cartwright: Rise of shine. New Scientist, 2014, č. 2976, s. 42-43.