Slunce je hlavním zdrojem energie na naší planetě. Jen díky jeho fotonům, které od rána do večera bombardují listy pravotočivé liány Humulus lupulus, můžeme sklízet žatecký chmel a vařit tradiční pivo, no a podobný princip už desítky let využíváme také k výrobě elektřiny.
Příroda vynalezla biochemickou fotosyntézu a fyzici zase popsali fotovoltaický jev, když přišli na to, že fotony s dostatečnou energií mohou při styku s vhodným materiálem excitovat a uvolnit jeho elektrony a jiné nosiče elektrického náboje. Pokud bude tímto médiem polovodič v uzavřeném obvodu, začne jím protékat stejnosměrný proud.
Žalostná efektivita
Historie objevu fotovoltaického jevu sice sahá hluboko do 19. století, svůj zlatý věk ale zažívá až od poloviny toho minulého, kdy se inženýři díky rozmachu křemíkové polovodičové technologie vrhli do soutěže, kdo vyrobí tu nejefektivnější solární buňku. Základní člen, na jehož vstupu je světlo, no a na té druhé elektřina.
Časová osa postupného zlepšování efektivity fotovoltaické technologie (NREL, volné dílo)
Zákony kvantové fyziky nás bohužel docela limitují, ty nejefektivnější základní buňky, které jako klíčový materiál používají křemíkové krystaly, se tak z hlediska efektivity přibližují hranici jen okolo 28 %.
To je sice žalostně málo, surovinu ale díky počítačové revoluci ve 20. století důvěrně známe a její technologie je dostatečně ekonomická. Drobný pětivoltový solární panel z AliExpressu, který vám v létě dobije telefon, proto nekoupíte za 25 tisíc korun, ale nejvýše za pár stovek.
Kompozitní fotobuňky
Koncem 20. století se na poli fotovoltaiky objevily komplexnější buňky složené z vícero kompozitů, z nichž může třeba každý reagovat na specifickou vlnovou délku, a tak dohromady pohltí ještě o něco více slunečního svitu. V anglofonní literatuře jim říkáme zpravidla multijunction cells.
Příklad kompozitní fotovoltaické buňky
Díky tomu mohla souhrnná efektivita podobných článků poskočit až k 50 %. Proč je tedy už dávno nemáme na střeše? Protože by se to dnes ještě nevyplatilo. Jejich výroba je náročná, drahá, a tak je používáme třeba v kosmu jako solární panely družic a dalších vesmírných plavidel.
Perovskity
Tím ale výčet výrobních technik nekončí. Jak jsme si už řekli výše, křemíková mřížka nemusí být zdaleka jediným materiálem – používáme ji proto, protože to dnes dává ekonomický smysl.
Perovskit je minerál, který by mohl zvýšit efektivitu solárních panelů při zachování jejich laciné a snadné výroby. Evropa patří k lídrům vývoje nové technologie
V laboratořích se už desítky let experimentuje třeba s alternativními pervoskity – krystalickými strukturami titaničitanu vápenatého (CaTiO₃), který podle některých průkopníků (např. Oxford PV) sice slibuje obdobnou hraniční efektivitu (okolo 28 %), ovšem výhledově za nižší výrobní cenu.
Sendvič s titaničitanů
S perovskity si hrají také vědci v laboratořích německé Univerzity Martina Luthera, kteří se pochlubili výsledky své práce v odborném časopisu ScienceAdvances a článku s názvem Strongly enhanced and tunable photovoltaic effect in ferroelectric-paraelectric superlattices.
Na co přišli? Budoucnost fotovoltaiky je možná v umělých krystalických supermřížkách, které bude tvořit několik na sebe položených vrstviček titaničitanů ve formě jakéhosi mikroskopického sendviče. Nahoře bude CaTiO₃ (zkráceně CTO), uprostřed BaTiO₃ (zkráceně BTO) a ve spodu SrTiO₃ (zkráceně STO).
Feroelektrický materiál
Kompozit má velmi specifické vlastnosti, prostřední vrstva je totiž silně feroelektrická (ty ostatní pak paraelektrické – proměnlivé podle okolních podmínek). V podstatě se jedná o elektrickou analogii permanentních magnetů. Feroelektrická – elektricky polarizovaná – vrstva odděluje kladně nabité částice od těch záporně nabitých, k čemuž je třeba u běžných fotovoltaických buněk polovodičová přechodová PN vrstva.
Kompozitní sendvič supermřížky pod mikroskopem
Právě proto jsou feroelektrické materiály ve středu zájmu mnoha vědeckých týmů zabývajících se fotovoltaikou. Mohly by totiž nabídnout jednodušší výrobní proces, a tedy i nižší náklady na stavbu solárních elektráren budoucnosti.
Ostatně, některé troufalejší vize předpokládají výrobu solární elektřiny třeba i z tenkých povrchových laků na fasádách budov či tenkých transparentních vrstev nanesených na tabulích oken.
Až o tři řády silnější fotovoltaický jev
No dobrá, podobným výzkumem se zabývají vědecké týmy z celého světa a my o nich na Živě.cz píšeme celkem pravidelně. Čím se tento případ liší od těch ostatních?
Inženýři z Halle-Lutherstadtu během experimentu měřili, jakého fotovoltaického efektu dosáhnou různé vzorky jejich kompozitního sendviče ve srovnání s prostou vrstvičkou feroelektrického BaTiO₃. Jen pro představu, sendvič má tloušťku v řádu stovek nanometrů.
Fotoelektrická odpověď při osvitu různých kompozitních vzorků a pro srovnání čistého BTO napříč spektrem
Jak to dopadlo? Když přišel na řadu vzorek SBC222 a vědci na něj posvítili pulzem 405nm laseru (na pomezí fialového viditelného světla a UV), fotovoltaický jev byl více než 1 000× silnější. V případě analogie slunečního svitu pak zhruba 200× silnější.
In comparison to BTO, a staggering enhancement of more than three orders of magnitude is observed in the case of SBC222.
A similar response was also observed under 1.5 AM solar illumination, with the difference between SBC222 and BTO at around 200 times.
Zvláštní chování vědci v článku nedokázali spolehlivě vysvětlit a bude předmětem dalšího a snad slibného výzkumu.
1 000× lepší solární panel? Zatím asi ne
Co to znamená v praxi? Byť krátce poté takový Mining.com vyrukoval se zprávou, že se dočkáme solárních článků s o 1 000 % vyšším výkonem, v diskuzi za to dostal pořádnou čočku. Nic takového totiž netvrdí ani sami vědci, kteří nejvyššího skoku docílili opravdu jen při splnění velmi specifických podmínek.
Nehledě na to, že skutečnou efektivitu výroby sluneční elektřiny v makrosvětě – na tom velkém solárním panelu, který bude jednou možná na každé střeše – ovlivňuje ohromné množství dalších proměnných a dílčích elektrických ztrát v celé soustavě.
Na stranu druhou, německá studie připomíná sílící zájem vědců o nové krystalické materiály, které jednou ve fotovoltaice doplní či zcela nahradí ty stávající.
Zastánci perovskitů, feroelektrických materiálů a všemožných kompozitů totiž spíše než revoluční skok ve výkonu slibují jednodušší výrobu, a tedy snad i nižší cenu. Díky tomu by se pak jednou mohly solární panely zcela nových konstrukcí vyplatit i tam, kde to dnes nedává valný ekonomický smysl.
