Vícevrstvé perovskitové solární články už v laboratořích dosáhly účinnosti přes 40 procent – výrazně více než běžné křemíkové články. Než však budou nové solární technologie připravené pro masové a cenově dostupné využití, musí vědci překonat ještě několik překážek.
Rozmach solární energetiky pokračuje díky dotacím a politické nakloněnosti v celé EU. Dominantním materiálem, který dokáže přeměňovat sluneční světlo na elektrický proud, je přitom křemík.
Tomuto prvku by však už brzy mohl začít konkurovat jiný materiál, který by jej mohl dokonce nahradit. Při snaze dosáhnout stále vyšší účinnosti totiž vědci považují perovskitové solární články za jednu z nejslibnějších cest ke zvýšení účinnosti fotovoltaiky.
Co je perovskit?
Perovskit je přírodní minerál. Z chemického hlediska jde o oxid vápníku a titanu, tedy titaničitan vápenatý. Samotný minerál nemá s fotovoltaikou nic společného.
Jeho krystalová mřížka však slouží jako vzor pro uměle vyráběný materiál, který se následně používá v perovskitových solárních článcích. Vědci k jeho výrobě využívají látky, jako jsou olovo, cín, methylamonium, cesium, chlor, brom nebo jod. Ve spojení s touto krystalovou strukturou mohou zvlášť účinně přeměňovat sluneční světlo na elektřinu.
Na rozdíl od polovodičového křemíku je výroba perovskitových solárních článků podstatně jednodušší. Křemík se musí tavit při teplotách kolem 1 400 stupňů Celsia. Při následném náročném zpracování z něj v několika krocích vznikají známé solární destičky o tloušťce přibližně 150 mikrometrů (µm).
Ke zpracování perovskitu naproti tomu postačují teploty nižší než 200 stupňů Celsia. Nanesená perovskitová vrstva je navíc silná jen asi 0,5 µm. Výroba by proto mohla vyžadovat podstatně méně energie i materiálu.
Pokrok v účinnosti
Běžné solární moduly dnes podle způsobu výroby dosahují účinnosti 10 až 22 procent, jen výjimečně je tato hodnota vyšší. Teoretická horní hranice účinnosti křemíku činí 29,3 procenta.
Jednou z možností, jak tuto hodnotu zvýšit, je použití takzvaných vícevrstvých (tandemových) solárních článků. Vývojáři při něm umisťují dvě nebo více vrstev z různých materiálů na sebe. Každá z nich dokáže přeměňovat na elektřinu jinou část světelného spektra.
Ještě letos na jaře vyvinuli švýcarští vědci tímto způsobem nový solární článek, který spojuje vysokou účinnost se škálovatelnou výrobou. Konstrukce článku je třídílná. Spodní článek je z křemíku. Na něm jsou jako prostřední a horní vrstva naneseny tenké perovskitové filmy.
Obě horní perovskitové vrstvy využívají krátkovlnné světlo, tedy spíše modrou a zelenou část spektra. Křemík naopak využívá spíše dlouhovlnné červené části světla.
Téměř polovina slunečního světla přeměněna na elektřinu
Nový článek podle příslušné studie zveřejněné ve vědeckém časopise Nature dosahuje certifikované účinnosti 30,02 procenta. Překonává tak předchozí rekord pro toto uspořádání, který činil 27,1 procenta. Zároveň zde stále existuje prostor pro další zlepšení. Teoreticky by takové články mohly dosáhnout účinnosti až 40 procent.
Dosavadní světový rekord v účinnosti je dokonce 47,6 procenta. Stanovili jej vědci z Fraunhoferova institutu pro solární energetické systémy ISE.
V květnu 2022 se jim podařilo této vysoké účinnosti dosáhnout za optimalizovaných laboratorních podmínek se čtyřvrstvým solárním článkem, při více než 600násobné koncentraci slunečního světla a s novou antireflexní vrstvou. Přesto jde o pozoruhodnou hodnotu. Znamená to, že tyto články dokážou přeměnit světelný výkon 1 000 wattů na elektrický výkon 476 wattů.
Podobně vysoké účinnosti 46 procent dosáhl Fraunhoferův institut už v roce 2014 se čtyřvrstvým solárním článkem.
Možné jsou ještě nižší ceny
Perovskit by měl mít oproti křemíku výhodu také z hlediska nákladů. U běžných křemíkových modulů stojí jeden watt instalovaného špičkového výkonu (Wp) 0,13 až 0,22 eura (3,43 až 5,39 Kč).
Tandemové články jsou v současnosti v přepočtu na jeden Wp ještě o 10 až 30 procent dražší. Prakticky každá nová technologie je však v přechodné fázi mezi vývojem a uvedením na trh poměrně nákladná.
Díky jednodušší výrobě a levnějším materiálům by ale tandemové články mohly v dlouhodobém horizontu křemíkové moduly cenově výrazně překonat. K tomu by mělo dojít nejpozději po zahájení sériové výroby a s dalším technickým pokrokem. Ještě více by tak mohly klesnout také náklady na výrobu elektřiny.
Výzva v podobě životnosti
U perovskitových modulů však zbývá vyřešit několik technických problémů, zejména pokud jde o stabilitu materiálu a jeho životnost. Mezi slabá místa patří různé povětrnostní vlivy, jako jsou vlhkost, oxidace, tedy reakce s kyslíkem, ultrafialové záření a vysoké teploty.
Příčina problémů se stabilitou spočívá v atomové struktuře perovskitového krystalu. Organicko-anorganické uspořádání, které tomuto materiálu propůjčuje jeho výrazné elektronické vlastnosti, je zároveň příčinou jeho křehkosti.
Původní materiál – jodid olovnatý s methylamoniem – má zásadní slabinu: methylamoniový kation je těkavý a při vyšších teplotách uniká z krystalové mřížky. To vede k rychlému poklesu výkonu.
Další nevýhodou je obsah toxického olova. Vědci proto už hledají netoxické alternativy. Nejdále zatím pokročil výzkum skupiny perovskitů na bázi halogenidů cínu. Výzkumníkům se rovněž podařilo zdokonalit vrstvenou strukturu článků.
Německá solární společnost Oxford PV chce díky dosavadním zlepšením a dalším optimalizacím nabídnout na své tandemové moduly záruku 25 let provozu. To odpovídá dnes běžné životnosti křemíkových modulů.
Kdy si je budeme moci koupit?
Perovskitovo-křemíkové tandemové solární články už překročily hranici mezi laboratoří a trhem – alespoň v první fázi. V září 2024 dodala společnost Oxford PV první tandemové solární moduly s účinností 24,5 procenta zákazníkům z řad amerických energetických společností.
Další velkosériová výroba a dodávky však zatím nezačaly. Novou perovskitovou technologií se dosud zabývá jen přibližně desítka subjektů na trhu. Vedle dodávek společnosti Oxford PV existují jednotlivé výrobní projekty, výzkumné programy a partnerství. První pilotní výrobní linky jsou již v provozu.
Podíl perovskitových solárních modulů na trhu se tak stále pohybuje téměř na nule. Do roku 2031 by však měl vzrůst přibližně na 31 procent. V loňském roce trhu dominovaly solární moduly z monokrystalického křemíku s podílem 86,1 procenta. Zbytek připadal především na moduly z polykrystalického křemíku.
Výhody a nevýhody perovskitových solárních článků ve srovnání s křemíkovými články
Výhody:
- Lehčí a kompaktnější moduly, které by se mohly lépe začleňovat do budov a vozidel.
- Vzhledem k vlastnostem materiálu má perovskit nižší účinnost než křemík. Díky vrstvení však mohou vícevrstvé perovskitové články dosahovat vyšší celkové účinnosti.
- Vysoká schopnost pohlcovat světlo. Články odrážejí méně slunečního záření, takže lze větší část světla využít k výrobě elektřiny.
- Úspora energie a materiálu, která by měla umožnit levnější výrobu.
Nevýhody:
- První materiály byly citlivé na vlhkost, kyslík, ultrafialové záření a vysoké teploty. V této oblasti je zapotřebí další vývoj.
- Pokles účinnosti až o deset procent během prvních měsíců.
- Toxické a ekologicky škodlivé složky, například olovo, vyžadují další výzkum alternativních prvků a bezolovnatých variant.
- Na běžném trhu jsou zatím téměř nedostupné, v kosmonautice se však již používají.
–etg–
