Běžné solární panely nejsou efektivní. Podle vědců patří budoucnost podivným sendvičům z titanu

  • Němci změřili velmi silný fotovoltaický jev
  • Blikali laserem na speciální sendvič
  • Revoluci v solárních panelech ale v nejbližší době nečekejte

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.

Klepněte pro větší obrázek
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.

Klepněte pro větší obrázek
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.

Klepněte pro větší obrázek
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.

Klepněte pro větší obrázek
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.

Klepněte pro větší obrázek
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.

Diskuze (58) Další článek: Pandemie zamotala hlavu navigaci Waze – zmatený algoritmus posílá izraelské řidiče do kolon

Témata článku: Evropa, Elektrárna, Obnovitelné zdroje, Elektřina, AliExpress, Materiál, Laser, Výroba, Energetika, Solární energie, Fotovoltaika, Jev, Vědec, Sendvič, Solární panely, Univerzita, BTO, Efektivita, Martin Luther



Základem obrany je rozpoznat problém. Tohle jsou největší bezpečnostní hrozby s ukázkami z praxe

Základem obrany je rozpoznat problém. Tohle jsou největší bezpečnostní hrozby s ukázkami z praxe

Existují desítky různých hrozeb a útoků. Často se třeba útočí na konkrétní hardware, specifickou verzi softwaru nebo máte to „štěstí“ a jste prostě slavní. Najdou se ale i zcela obecné hrozby, které se mohou a často i týkají každého z nás.

Jakub Michlovský
Černobyl po 35 letech: Stále vypadá děsivě, elektřina se tu ale vyrábí dál

Černobyl po 35 letech: Stále vypadá děsivě, elektřina se tu ale vyrábí dál

** Uběhlo 35 let od tragické nehody v černobylské elektrárně ** Celá oblast je událostí stále silně poznamenaná ** Z Černobylu ale znovu teče elektřina – tentokrát solární

David Polesný
Elektrárna
Elon Musk chce, aby na základně SpaceX již příští rok fungovaly dvě „Mechazilly“

Elon Musk chce, aby na základně SpaceX již příští rok fungovaly dvě „Mechazilly“

** SpaceX vybudovala relativně jednoduše stavěnou ocelovou věž o výšce 145 metrů ** Teď bude možné tuto věž postupně vybavit velkými pohyblivými rameny a dalšími prvky ** Ty by z ní měly udělat to, co Elon Musk emotivně nazývá „Mechazilla“

Jiří ČernýStanislav Mihulka
StarshipStavbyElon Musk
Pozor na AliExpress. Aby byl pořád levný, musíte zvolit správný způsob dopravy

Pozor na AliExpress. Aby byl pořád levný, musíte zvolit správný způsob dopravy

** Už několik měsíců platí nová daňová pravidla pro zásilky nejen z Asie ** Tkaničky z AliExpressu mohou být stále laciné ** Musíte ale zvolit správného dopravce, jinak poště zaplatíte 150 Kč

Jakub Čížek
E-shopyAliExpress
Lék proti depresi za stokorunu snižuje riziko těžkého průběhu i úmrtí na onemocnění covid-19

Lék proti depresi za stokorunu snižuje riziko těžkého průběhu i úmrtí na onemocnění covid-19

** Klinická studie zkoumala vliv antidepresiva fluvoxamin na covid-19 ** Počet úmrtí souvisejících s covidem-19 klesl zhruba o 90 % ** Potřeba intenzivní lékařské péče se snížila zhruba o 65 %

Karel Kilián
COVID-19LékyDepreseMedicína
Na povrchu Měsíce je tolik kyslíku, že by stačil pro lidstvo na 100 tisíc let

Na povrchu Měsíce je tolik kyslíku, že by stačil pro lidstvo na 100 tisíc let

** Lidstvo se připravuje na kolonizaci Měsíce ** Jednou ze základních surovin, bez nichž se na naší přirozené družici neobejdeme, je nepochybně kyslík ** Kde ho vzít?

Stanislav Mihulka
KolonizaceMěsícO2
Nejvíc sexy holky ve filmech: 60 nejslavnějších erotických symbolů

Nejvíc sexy holky ve filmech: 60 nejslavnějších erotických symbolů

Krásné ženy jsou pro mnohé erotické a sex symboly. Vybrali jsme ty nejslavnější z několika desetiletí filmové a seriálové tvorby. Najdete zde nejen fotografie, ale také název díla, které herečku proslavilo.

Marek Čech
Filmy a seriály