Branibor nad Havolou, či chcete-li Brandenburg an der Havel, ve stejnojmenné německé spolkové zemi za tisíc let své historie zažil a viděl mnohé. Do barvité historie města, které po druhé světové válce skončilo ve sféře sovětského vlivu, by mohla nyní zajímavou kapitolu vepsat společnost, která nese název jiného starobylého sídla: Oxford PV.
Jde skutečně o spin-off vzniklý na půdě Oxfordské univerzity, který od roku 2012 pracuje na komercializaci nového typu solárních panelů, tzv. perovskitových článků. Jde o dnes asi nejslibnější novou technologii v oboru, která by měla umožnit nadále udržet trend postupného zlevňování těchto panelů.
První část práce Oxfordu skončila úspěšně; na linkách v Braniboru se v posledních týdnech kompletují první, zatím pouze prototypové a ověřovací kusy nové generace panelů. Jde o kombinované výrobky, které kombinují klasický křemíkový článek s tenkým článkem perovskitovým. Na pohled vypadají (a také se v provozu chovají) jako běžné křemíkové panely. Jediný rozdíl je v tom, že ze stejné plochy vyrobí více elektřiny
LEPŠÍ NÁHRAŽKA
Souvisí to do jisté míry s tím, že dnešní panely využívají materiálu, který vlastně pro fotovoltaické procesy není ideální – tedy křemíku. Křemík není v tomto ohledu z fyzikálního hlediska výjimečný, navíc křemík pro panely musí být ve velmi čisté krystalické formě, což je velice citelně znát na výsledné ceně. Na druhou stranu, křemík je skvěle zvládnutý materiál, a výrobci panelů se mohli opřít o dlouhá léta vědeckých i výrobních zkušeností. 
S perovskity je to jiné. Jistě, nejsou zrovna materiálovou novinkou; jde o sloučeniny halogenů s kovem (jako první byly popsány sloučeniny s olovem), které lidstvo zná více než 170 let. Jejich chvíle ovšem přišla v roce 2009. Japonští vědci spíše jen tak ze zvědavosti vytvořili solární článek, ve kterém perovskit sloužil jako barvivo, tedy materiál, který pohlcuje světlo dopadající na článek. Měl doslova mizernou účinnost, jen 3,5 %, a dokonce se vědcům ztrácel pod rukama. V článku totiž museli použít kapalný elektrolyt, který perovskit postupně rozpouštěl. Z laického pohledu hrozný výsledek, z pohledu základního výzkumu naopak výsledek, který stojí za další zkoumání.
Už v tu chvíli se totiž nabízela (vzdálená, ale možná) vize levné výroby podobných článků s použitím velmi laciných materiálů a levných výrobních metod (například tisk roll to roll). A byť je cena u fotovoltaiky vůbec nejdůležitějším faktorem, lákavé byly i jiné možnosti technologie, jako je výroba průhledných panelů. Ať už do oken, či spíše pro potřeby vícevrstvých panelů s vrstvami „vyladěnými“ pro co nejlepší absorpci různých částí slunečního spektra, které by mohly nabídnout rychlé zvýšení účinnosti. (Na vytvoření článku s dnes běžně nedosažitelnou účinností kolem 30 % stačí pouze obyčejný křemíkový článek s účinností kolem 20 % a perovskitový článek s účinností někde kolem 17 %.)
Skutečný technologický zázrak přišel až zhruba v posledním roce a půl. V srpnu roku 2012 vytvořil tým ze švýcarského Lausanne články s perovskitem s účinností necelých 10 %. V červenci roku 2013 pak rekord posunuli na 15 %.
V té době vystoupil do popředí „perovskitové scény“ jistý Henry Snaith z Oxfordské univerzity, budoucí spoluzakladatel firmy Oxford PV. Snaith představil v časopise Science první perovskitový článek, který nepotřebuje kapalný elektrolyt. Články obsahující kapalinu jsou totiž velmi nepraktické: na slunci by mohly například velmi snadno praskat.
CO JE PEROVSKIT?
Perovskit je obecný název pro skupinu látek, které mají krystalovou strukturu stejnou jako CaTiO3, tedy oxid titaničito-vápenatý. V článcích se však používá z chemického hlediska úplně jiná látka. Obecný vzorec skupiny používaných látek je AM X3. A představuje anorganickou molekulu, M kov („metal“), X pak halogen. První perovskit byl popsán v roce 1839 a látky nesou jméno podle ruského učence a diplomata Lva Alexejeviče Perovského. |
Snaith do výzkumu nastoupil s velkým nadšením a očekáváními. Již před lety veřejně prohlásil, že podle něj nebude v brzké době problém s pomocí perovskitů postavit články s účinností zhruba 20 až 25 %. V té době to možná vypadalo troufale, protože šlo o výsledek blízký účinnosti dnešních nejlepších křemíkových panelů, dnes už se to zdá jako odhad možná až příliš nízký. Oxford PV v listopadu 2018 předvedl kombinovaný křemíkovo-perovskitový článek s laboratorní účinností 28 %.
Dlouhý výčet výhod Samozřejmě, musely existovat i nějaké nevýhody, jinak bychom už perovskitové články dávno viděli kolem sebe. První používané sloučeniny byly bohužel nestabilní. Šlo často o látky s obsahem toxických látek (tedy olova), které se snadno rozpouštěly ve vodě a někdy i přímo na slunečním světle. Řada odborníků byla poměrně skeptických a realisticky odhadovala, že tyto potíže se budou odstraňovat dlouho a cesta ke komercializaci je poměrně dlouhá a náročná.
Skeptici samozřejmě měli do značné míry pravdu: Oxford PV původně měl za cíl vytvářet čistě perovskitové články na okna a jiné skleněné plochy. Ale pak si firma uvědomila, že to by trvalo dlouho a financování vývoje by bylo příliš drahé.
Společnost se tak přeorientovala na jednodušší vývoj v principu složitějšího tandemového článku. Vyvinula materiál a postup výroby pro průhledný perovskitový článek, který lze zakomponovat do procesu výroby běžného článku křemíkového panelu. Nový produkt Oxford PV tedy dosahuje vysoké účinnosti díky tomu, že dopadající světlo nejprve projde jednou vrstvou perovskitového materiálu, který dobře pohlcuje především světlo kratších vlnových délek, tedy směrem k modré části spektra. Naopak křemíkový článek je účinnější při absorpci světla větších vlnových délek. Obě vrstvy se tak dobře doplňují. Samotná perovskitová vrstva přitom není podle všeho příliš účinná; účinnost je kolem 15 %.
GRÄTZELOVY ČLÁNKYČlánky s perovskitem patří do rodiny tzv. Grätzelových solárních článků (někdy se také nazývají jako barvivem senzitizované články). Používá se v nich zachycení světla pomocí organického barviva. Název nesou po Michaelu Grätzelovi z École Polytechnique Fédérale v Lausanne, který je v roce 1991 sestrojil jako první. Grätzelovy články jsou z relativně levných materiálů a vyrábějí se levným procesem (nepotřebují křemík, jehož výroba je energeticky náročná). Mohou být také ohebné a jsou robustní, takže vydrží praktické nasazení i v poměrně nepříznivých podmínkách. V minulosti měly vcelku výrazně nižší účinnost než křemíkové články a v praktickém rozšíření s „křemíkem“ nemohly soupeřit. Nyní se to však může změnit. A pokud tomu tak bude, Michael Grätzel, který byl i před příchodem perovskitových článků velkým kandidátem na Nobelovu cenu, bude mít cestu do Stockholmu opět pravděpodobnější. Grätzel také je i v necelých 70 letech (a jeho pracoviště v Lausanne jako celek) na světové špičce v oboru. Získal řadu prestižních ocenění, včetně finské „pseudonobelovky“ Millenium Technology Prize s dotací 800 tisíc eur. |
KOLIK STAČÍME VYTISKNOUT?
Takzvané tandemové články tedy budou představovat nejjednodušší způsob, jak novou technologii dostat na trh. Oxford PV tvrdí, že první by mohl zákazník dodat již v průběhu letošního roku. Tímto způsobem ovšem nebude možné využít hlavních výhod technologie, tedy nízkých nákladů na výrobu. Výhradně perovskitové články jsou nepochybně stále ještě několik let vzdálené. Představitelé Oxford PV mluví v poslední době o komercializaci v horizontu zhruba pěti až deseti let, ale to nemusí být zcela přesný odhad. Zvláště pokud se firma soustředí především na vývoj tandemových článků.
V oboru ovšem samozřejmě není sama. Na čistě perovskitové články sází několik menších i větších společností, například čínské Wonder Solar a Microquanta Semiconductor, ale i Saule Technologies ze sousedního Polska. Další je americký start-up Energy Materials Corp., který vyvíjí průmyslový proces pro tisk perovskitových článků. Během několika příštích let by chtěl přijít s linkou, která bude tisknout 50 m článku širokého 1,5 m za minutu.
Pokud (či možná spíše až) oni nebo jiná firma uspějí, perovskit by mohl začít rychle dohánět ohromnou výhodu křemíku v instalované výrobní kapacitě. Masová výroba přispěla ke zlevnění fotovoltaiky v posledních letech největším dílem. Jiné materiály ho mohou jen těžko cenově dohnat, pokud nebudou k dispozici technologie skutečně masové výroby i pro ně.
Investoři a zastánci perovskitu ovšem tvrdí, že jejich „kůň“ by náskok mohl dohnat poměrně rychle, právě proto, že vystačí s jednoduchými a relativně dobře vyzkoušenými postupy. Perovskitové „gigafactories“ by snad měly být výrazně levnější než srovnatelné provozy pro křemíkové články.
PŘESVĚDČIT ZÁKAZNÍKY
Skeptici stále nejsou přesvědčeni a poukazují na podle nich stále nevyřešené problémy perovskitů. Jedním byla nestabilita (hlavně při styku s vodou), případně obsah toxických látek; řada ve fotovoltaice používaných perovskitů obsahuje olovo. Není ho mnoho, ale jeho přítomnost by mohla představovat značný problém.
Zastánci ovšem tvrdí, že problémy se zveličují. Perovskity jsou velmi široká skupina látek, a podle nich by mělo být možné (či už se v některých případech podařilo) najít mezi nimi látky s vhodnými vlastnostmi, ale lepší stabilitou či bez toxických příměsí. Oxford PV například tvrdí, že jejich články si ve zkouškách životnosti vedly prakticky stejně jako běžné panely. Protože ještě na trhu nejsou, musíme jim to prozatím věřit. Snad již brzy budeme mít možnost se přesvědčit na vlastní oči.