Solárne články vyrábané z kryštalického kremíku sú v súčasnosti najrozšírenejšou technológiou na trhu so solárnymi panelmi. Je však potrebné povedať, že napriek tomu, že ich účinnosť je zatiaľ najvyššia (viac než 25 %), výrobný proces je náročný (drahé výrobné zariadenia, proces vyžadujúci prostredie extrémnych teplôt), od čoho sa priamo úmerne odvíja aj cena. Okrem kremíku sú preto využívané aj ďalšie prvky a ich zlúčeniny ako je tellurid kadmnatý, indium či arsenid gallitý. Posledný menovaný dokonca drží rekord v účinnosti premeny slnečného žiarenia (až 28,8 %). Náklady na výrobu takých článkov sa ukazujú dokonca ešte vyššie než v prípade kremíkových. Mnohé výskumné centrá po celom svete sa preto vydávajú inými smermi. Študujú amorfný či mikrokryštalický kremík, nanášajú ho v tenkých vrstvách či v tvare nanodrôtikov. Sú produkované slnečné články založené na kvantových bodkách, organických farbivách zložených z titánu či uhlíku (tzv. fotosyntetická technológia výroby), kesteritoch... Avšak najbližšie k opusteniu laboratórneho prostredia, pri požiadavke na rozumnú výrobnú cenu, je pravdepodobne technológia hybridných organicko-anorganických perovskitov.
Perovskity
Perovskitové solárne články získali svoj názov podľa minerálu s rovnakým názvom (CaTiO3). Ten bol pomenovaný podľa ruského mineralóga Lva Perovského. Solárne články však nie sú vyrábané z tohto minerálu, jedná sa len o zlúčeninu rovnakej kryštalografickej štruktúry, akou perovskit disponuje (štruktúra ABX3). Perovskitová solárna technológia je najčastejšie založená na využití hybridného organicko-anorganického materiálu na báze olova či halogenidu cínu, ktoré slúži v článku ako aktívna vrstva pre zber fotónov.
Teoretický limit efektivity solárnych článkov je v prípade tých kremíkových uvádzaný hodnotou 29 %. U perovskitov však vedci sľubujú až 33 %. Tohto však v reálnych podmienkach zatiaľ nebolo dosiahnuté (aj keď vzrast účinnosti tejto technológie je veľmi rýchly na súčasných 22,7 % v laboratórnom prostredí), avšak popularita perovskitov narastá. Hlavnými prednosťami sú dlhá životnosť solárneho „panelu“ a schopnosť absorpcie takmer všetkých viditeľných vlnových dĺžok svetla. Obľuba perovskitov sa odvíja aj od jednoduchej, časovo nenáročnej a lacnej výroby. V súčasnosti sú perovskity zvyčajne nanášané tzv. rotačne, v budúcnosti by však mala byť aplikácia značne zjednodušená (nástrekom či tlačou, kedy bude perovskitová suspenzia slúžiť ako atrament). Perovskity sa potom stanú skutočnou konkurenciou kremíku, prípadne s ním budú fungovať v akomsi tandeme ( čo ešte navýši celkovú účinnosť solárneho článku, pretože kremík a perovskit spoločne absorbujú väčšinu vlnových dĺžok viditeľného svetla).
Nevýhodu, ktorú perovskitová technológia prináša, je toxicita. V produkte býva obsiahnuté olovo, ktorého uvoľňovanie do životného prostredia počas výroby aj používania je nežiaduce. Výzva však bola aj v tomto prípade prijatá a úvahy vedcov v súčasnosti smerujú k nahradeniu tohto prvku iným a to cínom, či titániom. Tie zatiaľ znižujú celkovú účinnosť článkov. Významných pokrokov však dosiahli napríklad vedci v projekte, v ktorom participovali univerzity Brown a Nebraska v USA. Využívajú nejedovatý titán v kombinácií s cesiom a brómom (príp. jódom) a poukazujú aj na jeho výhodu v podobe rezistencie voči korózií. Iným problémom, ktorému výskumníci čelia, je strata výkonu perovskitových PV článkov v okamžiku vystavenia vplyvom vody, ultrafialového žiarenia a vysokých teplôt.
Zaujímavosťou je, že perovskity svetlo absorbujú, ale tiež ho môžu emitovať. S tým súvisí ďalšia možnosť ich využitia, napríklad na výrobu laserov, diód a displejov. Perovskitová solárna technológia je považovaná za vychádzajúcu hviezdu v odbore.
Súkromnou spoločnosťou, ktorá sa v súčasnosti aktívne pripravuje na prezentáciu svojho produktu perovskitových článkov na trh, je poľský startup Sauletech. Ich články by mali byť uvedené na trh v poslednom kvartáli roku 2019, teda zanedlho. Očakávaná účinnosť produktu je cca 10 %, cena 50 EUR za m2. Náklady na elektrickú energiu by teda mali činiť asi 0,05 € za kWh. Sauletech aplikuje materiál na pružný podklad, využíva technológiu tlače. Hrúbka potlače je 1 mikrometer a hmotnosť iba 500 g/m2. Solárne články budú dostupné v niekoľkých farbách na úrovniach priehľadnosti, je možné ich umiestniť aj na sklo, teda na okná a očakáva sa, že bude pri ich využití uprednostňovaná fasáda pred strechami. Prvým investorom, ktorý sa chystá túto konkrétnu technológiu využiť na svojej budove, je spoločnosť Skanska. Umiestni ju na jednej zo svojich kancelárskych budov.
Fotochemické solárne články
Doterajšie solárne technológie sú založené na polovodičoch typu kremíku. Ale už sme spomínali ich energetickú náročnosť. Základom článkov však môže byť aj nanokryštalický oxid titaničitý TiO2 v polovodičovej čistote (tzv. Grätzelove články). Fotoelektrochemický proces fungovania tzv. DSSC solárnej technológie, ktorá je založená práve na zlúčenine TiO2 prebieha jednoducho takto:
TiO2 vďaka svojej bielej farbe neabsorbuje svetlo, je preto potrebné ho „aktivovať“ farbivom
fotón uvoľnený zo Slnka (či z umelého zdroja svetla) „zaútočí“ na farbivo, ktoré je aplikované na panele
energia fotónov je použitá k „povzbudeniu“ prítomných elektrónov (ako chlorofyl pri fotosyntéze)
aktívne elektróny sú cez nanočastice oxidu titaničitého odvedené preč z anódy
elektrón sa pohybuje okruhom a napája spotrebič
elektrón sa presúva do platinovej katódy
elektrón je „médiom“ z katódy (napríklad jodidom) prenesený späť k farbivu na anóde
opakovanie procesu stále dokola
Práve pohyb elektrónov okruhom teda vytvára energiu, ktorá je ukladaná do batérií či priamo zúžitkovaná napríklad žiarovkou.
V súčasnosti sa usiluje o vylepšenie štruktúry oxidu titaničitého za účelom lepšej účinnosti článkov. Využitie tejto technológie je navyše zatiaľ limitované životnosťou produktu a preto je aplikovaná len v armáde, kde je dôležité okamžité použitie a nie trvanlivosť. Ďalším vývojom fotochemických procesov vo výrobe energie zo solárneho zariadenia sa aktívne venuje mnoho výskumných centier po celom svete. Jedným z nich je aj 3G Solar v Izraeli.
3G Solar využíva práve organických materiálov a nanotechnologických postupov a pokúša sa o výrobu elektriny aplikáciou procesov, ktoré sú podobné fotosyntéze. Jedná sa o výrobu solárnych článkov na báze farbív (tzv. DSSC – dye sensitized solar cells), ktorých cenou, farebnou rozmanitosťou a tvarom bude možné konkurovať tým bežne dostupným kremíkovým. Výsledným produktom sú elektrochemické články, ktoré sa svojim mechanizmom podobajú skôr batériám. Dôležité je, že DSSC dovoľuje výrobu elektriny v širokom spektre svetelných podmienok. Efektivita takýchto solárnych článkov je teda navýšená vďaka prebiehajúcim procesom premeny fotónov na elektrickú energiu aj v čase, keď je napríklad pod mrakom. Hlavná výhoda DSSC plynie z teoretickej účinnosti, ktorá je až 40 % a zo skutočnosti, že je výťažnosť veľmi vysoká ako pri rozptýlenom dennom svetle, tak pri umelom osvetlení napríklad LED zdrojmi (je možné hovoriť o recyklácií vnútorného osvetlenia). Navyše či už materiál, tak výrobný proces článkov je nízkonátlakový a široké využitie tejto technológie sa tak skutočne priblížilo realite. V priebehu nasledujúceho roku spoločnosť 3G Solar očakáva, že by malo dôjsť k distribúcií prvých finálnych produktov. Budú natlačené na sklo či plastické fólie.
Účinnosť verzus výťažnosť
Je však potrebné dodať, že účinnosť, ktorá je hlavnou témou tohto textu nie je vždy tým najdôležitejším ukazovateľom. Dôležitá je tiež energetická výťažnosť za dobu fungovania článku, ktorá je často prekvapivo vyššia práve u článkov s nižšou účinnosťou.
Nové kombinácie materiálov, prieskum rozmanitých variácií chemických zložení aj bunečných štruktúr sú skúmané po celom svete. Pokroky sú obrovské a solárne technológie sú permanentne rozvíjané. Je teda takmer isté, že sa verejnosť môže tešiť na ich rozšírenie. Výroba energie pomocou slnečného žiarenia sa pravdepodobne stane bežnou v každej priemernej domácnosti, je to len otázka času, ako rýchlo to nastane.
Zdroje:
https://sauletech.com/
https://www.oxfordpv.com/perovskite-silicon-tandem
https://news.brown.edu/articles/2018/02/lead-free
https://gcell.com/dye-sensitized-solar-cells
http://thefutureofthings.com/5054-dsc-solar-panels-40-more-energy-and-3-times-cheaper/
