Pavel Baroch | 9. 8. 2022

Levnější a lépe tvarovatelné solární panely přináší nový výzkum. Podílí se na něm i česká věda

Tradiční solární články fungují na bázi křemíku, ale je tady i jiná možnost, o níž někteří vědci dokonce hovoří jako o technologii pro energii budoucnosti. Jsou to solární články využívající uměle krystalizované perovskity. Ty patří do skupiny materiálů, jejichž struktura byla odvozena právě od minerálu perovskit. Fotovoltaika by díky nim mohla být levnější, výkonnější, flexibilnější a ekologicky šetrnější.

Mezinárodnímu týmu vědců z Univerzity ve švédském Linköpingu a z Ústavu makromolekulární chemie Akademie věd ČR se nyní podařilo zvýšit životnost a účinnost těchto fotovoltaických článků na bázi perovskitů. Výsledky nové studie zveřejnil prestižní vědecký časopis Science.

Na zdokonalení solárních článků na základě perovskitu, tedy sloučenině oxidu titaničito-vápenatého v krystalické formě, intenzivně pracují vědci po celém světě už více než deset let. Chtějí docílit právě co nejúčinnější přeměny sluneční energie na energii elektrickou.

Odborníkům ze švédské Univerzity v Linköpingu se povedlo vyvinout novou vrstvu perovskitového solárního článku, ve které probíhá přeměna slunečního záření na elektron. Do jedné z vrstev článku přidali aditivum, čímž usnadnili rozsah přenosu náboje. Zvýšili tak efektivitu a účinnost daného článku.

Menší environmentální zátěž

Vědci z Ústavu makromolekulární chemie Akademie věd následně zkoumali vlastnosti dané vrstvy s přidaným aditivem na molekulární úrovni. Popsali mechanismus zvýšení účinnosti transportu náboje a životnosti solárního článku.

„Jednotlivé složky vrstvy připravené kolegy ze Švédska se k sobě pod vlivem elektrostatických Coulomboských interakcí velice dobře přiblíží, dojde mezi nimi k přenosu elektronů a zvýší se tak účinnost daného procesu,“ vysvětlil Jiří Brus, vedoucí oddělení NMR spektroskopie Ústavu makromolekulární chemie.

Jiří Brus, vedoucí oddělení NMR spektroskopie Ústavu makromolekulární chemie
FOTO: AVČR

Snadnější výměnu a přenos elektronu vědci objasnili pomocí metod nukleární magnetické rezonance (NMR) spektroskopie, která se zaměřuje na zákonitosti a vztahy mezi dynamikou molekul, strukturou hmoty, jejími makroskopickými a užitnými mechanickými či fyzikálními vlastnostmi.

Přínosem nového aditiva je vedle zvýšení efektivity solárního článku také menší environmentální zátěž v porovnání s tradičními aditivy. „Použitý typ je vysoce účinný, a při relativně nízké koncentraci umožňuje generování značného množství radikálů. Díky tomu, že omezuje také rozsah vedlejších reakcí, zvyšuje životnost solárních článků,“ konstatoval Libor Kobera z oddělení NMR spektroskopie Ústavu makromolekulární chemie.

Současné solární panely můžete mít na vaší střeše ještě letos. Kolik vám mohou ušetřit?

Levnější a lépe tvarovatelné

S novým aditivem se zlepšila také stabilita materiálu, který není citlivý na vodu. Na rozdíl od tradičních křemíkových solárních panelů mohou být ty perovskitové flexibilnější, dobře tvarovatelné třeba do podoby tašek na střechách, a také levnější s výrazně nižší zátěží pro životní prostředí.

„Objev má velký potenciál, dá se předpokládat, že se v dohledné době budou perovskitové solární články s vysokou účinností vyrábět ve větší míře,“ je přesvědčen Libor Kobera. Vědci se na rozvoj solárních článků na bázi perovskitu soustředí od roku 2000. Posledních dvanáct let probíhá intenzivní a rozsáhlý výzkum.

V roce 2009 byla jejich účinnost kolem tří procent, o osm let později už procent dvacet dva. S novým aditivem to bude o další tři až pět procent více, čímž se přiblíží k účinnosti křemíkových článků, která je v současnosti devětadvacet procent - i když v reálných podmínkách je to o několik procent méně.

Výzkum a vývoj organických solárních článků reaguje na aktuální společenskou poptávku, jako jsou energetická soběstačnost nebo snížení závislosti na fosilních zdrojích. „Jde o prioritu nejen moderní vědy, ale téma rezonuje celou společností. Patří také mezi priority agendy českého předsednictví EU,“ připomněl Jiří Brus z Ústavu makromolekulární chemie Akademie věd ČR.

Česká stopa v křemíku

Čeští vědci jsou aktivní rovněž ve vývoji moderních fotovoltaických panelů na bázi tradičního křemíku. Například Fyzikální ústav Akademie věd byl součástí evropského projektu H2020 NextBase, který mimo jiné řešil, jak navýšit účinnost fotovoltaických panelů za použití běžných průmyslových metod. Experti se zaměřili na kontakty na vrchní části křemíkových desek, které slouží k odvádění vyrobené elektrické energie.

Tyto stříbrné pásky totiž odrážejí sluneční světlo, čímž efektivně sluneční článek zastiňují. Ztráta elektrické energie způsobená tímto stíněním je úměrná ploše kontaktů, která dosahuje tři až šest procent. Řešením je přesunout tyto kontakty na spodní stranu fotovoltaických článků, což není technicky úplně jednoduché.

„Ale díky tomu jsme byli schopni dosáhnout účinnosti solárních článků až 25,4 procent,“ konstatuje Martin Ledinský. A pro připomenutí: při použití zavedených průmyslových postupů. Případnou další optimalizací je možné účinnost ještě o něco zvýšit. „Myslíme si, že šestadvacet procent je reálných,“ dodal Ledinský. Účinnost nových fotovoltaických článků se podle něj zvyšuje o průměrných 0,6 procent ročně.

Autor: Pavel Baroch

Ilustrační foto: OxfordPV (ilustrační foto solárního článku z perovskitu)