Ve většině průmyslových zemí tvoří cena solárních panelů pouze čtvrtinu až třetinu celkových nákladů na výstavbu solární elektrárny. Většinu výdajů tvoří ostatní náklady – další hardware, instalace, povolení atd. Aby se tyto náklady co nejrychleji zaplatily, má smysl připlatit si za instalaci účinnějších panelů, které přemění více dopadajícího světla na elektřinu.
Naděje na účinnější solární panely
Špičkové křemíkové panely mají nyní účinnost kolem 25 % a bohužel neexistuje způsob, jak jejich efektivitu posunout nad 29 %. Mezi nimi a špičkovou fotovoltaikou, kterou používáme ve vesmíru, je obrovský cenový skok, píše v úvodu článku na toto téma magazín Ars Technica.
Nejdražší solární panely mají tři vrstvy fotovoltaických materiálů, z nichž každá je přizpůsobena jiné vlnové délce světla. Kompromisem z hlediska ceny a účinnosti jsou dvouvrstvé panely. Minulý týden došlo v této oblasti k určitému pokroku, když byly publikovány dvě samostatné zprávy o dvouvrstvých solárních článcích z perovskitu a křemíku s účinností výrazně vyšší než 30 %.
Hned z počátku však bohužel musíme zchladit přílišné nadšení – testované panely nemají v současné době dostatečně dlouhou životnost, aby byly použitelné pro komerční instalace. Mohou ale ukázat cestu k vývoji lepších materiálů.
Kombinace křemíku a perovskitu
Myšlenka dvouvrstvých fotovoltaických zařízení je ve své podstatě velmi jednoduchá. Vrchní vrstva by měla absorbovat vysokoenergetické fotony a přeměnit je na elektřinu, přičemž pro ostatní vlnové délky by měla zůstat průhledná. Vrstva pod ní by pak měla absorbovat fotony s nižší energií.
Křemík má předpoklady k maximální absorpci na červeném konci spektra a je tak skvělým kandidátem pro spodní vrstvu. Zbývá tedy vyřešit otázku, co by mělo smysl umístit nad ni. Lákavým kandidátem jsou perovskity. Jedná se o celou třídu materiálů, které jsou definovány strukturou krystalů, jež mohou tvořit. Lze je vyrobit z obrovského množství nepříbuzných chemických látek.
To znamená, že je možné potenciálně nalézt velmi levné výchozí materiály, které lze spojit do perovskitového krystalu. Mnoho perovskitů lze také vytvořit z roztoku surovin, což potenciálně umožňuje nanášet je v podobě fotovoltaického perovskitového povlaku na různé povrchy – například na křemíkové panely.
Výhody a nevýhody perovskitů
Velkým problémem je, že většina těchto krystalů není příliš stabilních a časem se rozpadají. Tato doba může být u některých slibnějších materiálů pouhé týdny až měsíce. Povedlo se sice dosáhnout určitého pokroku v prodlužování jejich životnosti, ale stále nejsme v bodě, kdy by z ekonomického hlediska dávalo smysl vyrábět perovskitové panely.
Další dobrou vlastností perovskitů je, že pečlivým výběrem surovin lze vyladit maximální vlnovou délku absorbovanou výsledným krystalem. Je tedy možné vybrat vlnovou délku, která je ideální pro kombinaci s křemíkem. Již několikrát bylo prokázáno, že články kombinující perovskit a křemík fungují, ale jejich účinnost nebyla o mnoho vyšší než účinnost, které může dosáhnout samotný křemík.
V nejnovějším vydání odborného časopisu Science byly publikovány dva články, které uvádějí mnohem vyšší účinnost dvouvrstvých perovskitovo-křemíkových panelů. Studie používají velmi odlišné metody, ale docházejí k velmi podobným výsledkům.
První studie: pyramidy v panelech
Jedna z prací se zaměřuje na fyzikální strukturu panelů. Některé výkonné křemíkové panely mají povrch vyleptaný nespočtem mikroskopických pyramid. Ty fungují tak, že zvyšují celkový objem absorbovaného světla, protože všechny fotony, které se náhodou odrazí od jedné z pyramid, pravděpodobně skončí na druhé, čímž se zvyšuje šance, že budou nakonec absorbovány. Jejich pokrytím vrstvou perovskitu dojde k vyplnění mezer mezi pyramidami, čímž se nad nimi vytvoří rovný povrch.
Cílem práce bylo najít způsob, jak přimět perovskit, aby se přizpůsobil křemíkovému povrchu. Za tímto účelem vědci testovali různé přísady do roztoku obsahujícího suroviny perovskitu. Nakonec se rozhodli pro něco, co se nazývá 2,3,4,5,6-pentafluorbenzylfosfonová kyselina. Ta zpomalila proces krystalizace, což umožnilo perovskitu rovnoměrně pokrýt křemík a reprodukovat jeho pole pyramid.
Během tohoto procesu se chemická přísada vytlačila z perovskitových krystalů a pokryla jejich povrch. Jakmile se dostala na příslušná místa, pomohla zmírnit defekty, v nichž se zachycují elektrony, a umožnila tak, aby se jich více dostalo do sběrače proudu. Výsledkem byla účinnost přes 31 %.
Druhá studie: absorpce vlnových délek
Další práce se zaměřila na optimalizaci kombinace křemíku a perovskitu. Vycházela z toho, že lze provést výpočty, které nám řeknou, jakou vlnovou délku by měl perovskit maximálně absorbovat, aby se maximalizoval rozsah světla, jenž se přemění na elektřinu. Z toho můžeme zjistit, jaký chemický vzorec potřebujeme, abychom toho dosáhli.
S těmito informacemi pak vědci optimalizovali rozhraní mezi perovskitem a proudovým kolektorem a cíleně se snažili omezit ztráty užitečných elektronů. Za tímto účelem přidali organickou molekulu, která mohla přijímat nebo odevzdávat elektrony, a fungovala tak jako záchytná plocha pro elektrony, které si hledají cestu k proudovému kolektoru.
Výsledkem byl perovskit, který měl sám o sobě účinnost přes 20 %. V kombinaci s křemíkem ve dvouvrstvém panelu se účinnost zvýšila na 32 %. Účinnost dnešních komerčně dostupných solárních panelů na bází křemíku se přitom pohybuje jen mezi 18 a 23 %.
Dobré i špatné zprávy
Pozitivní zprávou je, že je zde ještě velký prostor pro další zlepšení. Vědecké výpočty totiž naznačují, že perovskitovo-křemíkové solární panely mohou dosáhnout účinnosti kolem 45 %. V každém případě jsou již nyní podstatně účinnější než samotný křemík a perovskity si zachovaly své výhody v tom, že jsou levné a snadno se s nimi pracuje.
Velkým problémem je, že tato zařízení mají velice krátkou životnost. Dokonce i nejstabilnější zařízení vyrobené první skupinou vědců kleslo na 80 % své původní účinnosti po pouhých 66 hodinách vystavení slunečnímu záření. Druhé zařízení na tom bylo o něco lépe – dokázalo dosáhnout 347 hodin, než kleslo pod 80 %. Za předpokladu 12 hodin slunečního svitu denně to však znamená méně než měsíc používání.
Víme sice, jak vyrobit perovskity, které vydrží déle, ale zatím není jasné, zda dokážou nabídnout odpovídající účinnost ve dvouvrstvých panelech. Vědce tedy čeká ještě hodně práce, než budou tyto panely dávat smysl z komerčního hlediska. Práce bude pravděpodobně pokračovat, protože panely s vyšší účinností by mohly výrazně přispět k tomu, aby se obnovitelné zdroje energie rozšiřovaly takovým tempem, jaké potřebujeme.