V posledních letech jsme svědky doslova exponenciálního růstu solární energetiky. Všechny historické předpovědi jejího rozvoje zaostávaly za skutečností. Jednoduše proto, že obor výroby elektřiny ze slunečního záření za poslední desetiletí zažil nevídaný pokles cen. Ve velké části světa, která je slunnější než Česko, se tak fotovoltaika stala nejlevnějším zdrojem elektřiny.
Nezdá se, že by obor solárních elektráren ve svém závodě za nižšími cenami zpomaloval. Naznačuje to i zpráva ze závěru roku uplynulého: společnost Oxford PV ohlásila na jeho sklonku první komerční prodej nového typu panelů s tzv. perovskitovými články, které by mohly přinést další zlevňování.
Z čeho to je
První zástupce skupiny sloučenin známé jako perovskity byl popsán už ve 30. letech 19. století díky práci německého vědce Gustava Roseho a ruského mineraloga Lva Alexejevičove Perovského. Ten to tehdy ještě nevěděl, ale popsal obecnou skupinu látek, které všechny sice mají podobnou krystalickou strukturu, ale mohou být z různých prvků. Je to tak trochu jako tvorba geometrických tvarů z odlišných materiálů: jehlan může být ze dřeva, kovu i sýra, ale pořád je to jehlan.
Obecný vzorec skupiny používaných látek je ABX3. A a B jsou dva kationty (kladně nabité ionty) a X je aniont, který atomy A a B pojí dohromady. Příkladem může být třeba CaTiO3, tedy oxid titaničito-vápenatý. V článcích se používají úplně jiné látky, ale jejich základem jsou právě krystaly tohoto typu. Aby se zlepšila jejich schopnost měnit světlo na elektřinu, bývají na této krystalické „kostře“ připevněny nejrůznější jiné chemické skupiny.
V roce 2009 japonští vědci, do jisté míry spíše náhodou, vytvořili vůbec první solární článek, ve kterém perovskit sloužil k přeměně fotonů na elektrony. Měl mizivou účinnost 3,8 %, byl velmi nestabilní (samovolně se rozpouštěl), ale výsledek přesto zaujal.
Základní materiál byl totiž nesmírně levný. Už autory tohoto primitivního a neúčinného článku napadlo, že solární panely z takových materiálů by se daly vyrábět sítotiskem: tedy podobně jako se tisknou třeba nálepky.
Například americká firma Energy Material, která se dnes snaží prosadit s výrobou perovskitů, přestavuje na výrobu tenkých solárních článků starý závod v Rochesteru ve státě New York, v němž se kdysi vyráběly filmy společnosti Kodak.
Výroba křemíkových solárních článků probíhá za velmi vysokých teplot a z velmi kvalitního, čistého, a tedy relativně nákladného materiálu (v té době ještě mnohem dražšího než dnes). Perovskity tak slibovaly podstatné snížení cen solárních panelů.
Henry Snaith © Oxford PV
Průkopnický japonský tým tak brzy následovaly další a výkony perovskitových článků začaly rychle stoupat. V srpnu roku 2012 vytvořil tým ze švýcarského Lausanne články s perovskitem s účinností necelých 10 %. V červenci roku 2013 pak rekord posunuli na hodnotu 15 %.
Již v té době se jednou z nejvýraznějších postav „perovsktitové scény“ stal Henry Snaith z Oxfordské univerzity. Ten představil v časopise Science první perovskitový článek, který nepotřebuje kapalný elektrolyt. Články obsahující kapalinu jsou totiž velmi nepraktické, například by mohly na slunci velmi snadno praskat.
Snaith optimisticky prohlašoval, že v dohledné době podle něj nebude problém s pomocí perovskitů postavit články s účinností zhruba 20—25 %, tedy vyšší, než mají standardní křemíkové články. A především technologii věřil natolik, že spoluzaložil společnost Oxford PV. Název je odvozen od toho, že jde o spin-off Oxfordské univerzity.
První prodej
Perovskity mají kromě extrémně jednoduché výroby i další výhody. Jsou například velmi lehké, a dokonce ohebné. S touto technologií se snaží prorazit například polská společnost Saule Technologies.
Ta se chce soustředit na fotovoltaické panely pro zvláštní použití. Příkladem mohou být průhledné či poloprůhledné články do oken a na fasády budov. Nejde tedy o tradiční pevné deskové články, ale v podstatě víceméně průhledné „fólie“, které by se měly připevnit na připravené povrchy (firma v roce 2018 uzavřela licenční smlouvu na tento segment panelů se společností Skanska).
Další oblastí by měla být výroba (vlastně „tisk“) ohebných fotovoltaických článků. Ty by se podle prezentovaných plánů zmíněné polské firmy mohly využívat například v nejrůznějších aplikacích pro „internet věcí“. Tedy k dobíjení drobných senzorů a jiných elektronických zařízení.
Zmíněný premiérový prodej perovskitových článků však nemají na svědomí Poláci, nýbrž Oxford PV. První várka putovala k blíže nespecifikovanému zákazníkovi do Spojených států, kde bude součástí rozsáhlejšího solárního parku. Ačkoliv výrobce prozatím tají jméno kupujícího i objem a cenu dodaných panelů, vnímá událost jako přelomovou. Jde o vůbec první zaznamenaný případ, kdy se perovskitové články dostávají z laboratoří do reálného komerčního provozu.
Podloženo křemíkem
Samotné panely jsou složeny vždy z 72 menších článků, které v sobě kombinují klasickou křemíkovou technologii a novou perovskitovou technologii. Ve výsledku mohou produkovat více energie ze stejné plochy, uvádí výrobce.
První komerčně dostupné panely od Oxford PV mají účinnost 24,5 %, u tradičních křemíkových panelů se účinnost dnes obvykle pohybuje spíše kolem 22 % (i když také asi do budoucna mírně poroste).
To nezní jako mnoho, v praxi ale může jít o nezanedbatelnou výhodu. Majitel rodinného domku nemá k dispozici neomezenou plochu a čím menší panel mu stačí na pokrytí jeho spotřeby, tím menší může být jeho může být značný.
V laboratorních podmínkách dosahují perovskitové články účinnosti přes 30 %, což už tradiční křemíkové články překonává poměrně dost. Je ovšem důležité si uvědomit, že tyto vysoké účinnosti jsou stále jen ve fázi výzkumu a vývoje. Obvykle jde jen o malé vzorky, které jsou pro výrobu z nějakých důvodů nevhodné. Nicméně Oxford PV už v loňském roce představila svůj první prototyp nové generace perovskitových panelů, který má účinnost 28,6 %. I technologie, která už by měla být připravena brzy do výroby, se tak 30 % rychle blíží.
Zajímavý výsledek přitom vzniká kombinací s ověřenou „klasikou“. Společnost Oxford PV chce totiž uspět s kombinovanými křemíkovými články doplněnými o perovskitovou vrstvu.
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.
Výsledná tandemová struktura tedy jednoduše řečeno zachytí větší část z celého spektra dopadajícího slunečního záření. Perovskitové vrstvy excelují v absorpci kratších vlnových délek světla, zatímco křemíkové vrstvy jsou nejúčinnější při absorpci delších vln.
Do budoucna by údajně mělo být relativně snadné přidávat k panelům další vrstvy, a zvýšit účinnost snad až ke 40 %, doufají výzkumníci (a to nejen ti z Oxford PV).
První uživatelé se ovšem zaměří nejspíše na jiný aspekt: na trvanlivost. Řada perovskitových materiálů s vhodnými vlastnostmi totiž proslula svou nestálostí. Náchylné byly zejména vůči vlhkosti. Ve výjimečných případech dokonce tak rychle, že se nepodařilo ani řádně změřit jejich účinnost. Jiné se na světle postupně rozpouštěly, což je u materiálu pro fotovoltaické články trapně ironický handicap. Další špatně snášely vyšší teploty, kterým může být případný solární panel vystaven, zejména samozřejmě v teplejším a sušším klimatu.
Výrobce musí na prvních zakázkách především prokázat, že jeho panely něco vydrží. Zastánci technologie dnes tvrdí, že se problémy s trvanlivostí zveličují a díky rokům vývoje je situace jiná. Články některých výrobců už prošly běžnými mezinárodními testy odolnosti a trvanlivosti (tj. IEC 61215), tedy testy „zrychleného stárnutí“.
Automaticky to však neznamená, že by v běžných podmínkách měly fungovat zhruba stejně dlouho jako křemíkové panely, od kterých se dnes očekává životnost přes 25 let při zachování výkonu alespoň z nějakých 80 a někdy i 90 %.
Perovskity musí dokázat, že nejsou výrazně horší — což logicky bude nějakou dobu trvat, protože měření z laboratoří nemají nikdy váhu praktických zkušeností. Než to tak bude, investoři — od přírody spíše konzervativní a opatrní tvorové — se nejspíše budou k technologii chovat velmi rezervovaně. I proto se dá předpokládat, že příklon k perovskitům bude spíše pozvolný.
Zase ty peníze
Na druhou stranou, zajímavou výhodou je schopnost perovskitů fungovat efektivně i za zhoršených světelných podmínek. Zatímco křemíkové panely mohou zásadně ztrácet výkon během oblačného počasí, perovskitové vrstvy si dokážou uchovat vysokou účinnost i při slabším osvětlení. Tato vlastnost je klíčová pro jejich použití v oblastech s nižší intenzitou slunečního záření.
Nu, a hlavní roli sehraje pochopitelně cena. I minimální rozdíl v účinnosti, a tedy množství vyrobené elektřiny by mohl být pro odběratele zajímavý, pokud cena bude dostatečně nízká. Klíčem k nízké ceně má být v případě perovskitů jednoduchost implementace do dnešních produkčních postupů.
Společnost Oxford PV tvrdí, že již má vyvinutý vhodný výrobní proces, který lze dobře zapojit do výroby křemíkových panelů — právě s jeho pomocí měly vzniknout i první na trh dodané panely. Firma kvůli „citlivosti“ použitých perovskitů vyvinula mechanicky šetrné nízkoteplotní procesy pro propojení a zapouzdření článků. Navíc údajně snadno doplnitelné do stávajících průmyslových linek na výrobu křemíkových panelů.
Do budoucna spin-off Oxfordské univerzity plánuje otevřít nový závod zaměřený na vysokokapacitní výrobu, který by pokryl rostoucí poptávku nejen ze strany velkých solárních projektů, ale i specializovaných instalací, například pro domácnosti. Chce také zvýšit výrobní kapacitu svého stávajícího závodu v německém Braniboru nad Havolou na úroveň jednotek gigawattů ročně. To rozhodně nestačí na to, aby technologie dohonila klasický křemík. Křemíkových panelů se vyrobí ročně řádově tolik, že mají celkový výkon kolem 600 GW (v roce 2024, v roce 2025 to bude ještě asi o několik set GW více, ale přesně zatím těžko odhadovat).
Pokud je ovšem tvrzení o jednoduché integraci přidávání perovskitové vrstvy pravdivé, tak je to další důvod k tomu, proč dnešní předpovědi o dalším růstu výroby elektřiny ze slunečního záření považovat za příliš konzervativní.