vyhľadávanie
Dnes je 3.4.

Nové technológie vo výrobe fotovoltaických článkov

Zverejnené: 10. 12. 2018

V nedávnej minulosti sme písali o kremíku ako hlavnom prvku využívanom na produkciu „štandardných“ fotoelektrických panelov. Tiež sme písali o tenkovrstevných paneloch, ktoré sú tiež pomerne rozšírené. V tomto článku si však predstavíme technológie založené na iných prvkoch, než je kremík, hlavne na titáne, presnejšie na oxide titaničitom TiO2. Vývoj týchto technológií je inšpirovaný fotosyntézou. Je v plnom prúde a pripravuje sa jeho uvedenie na trh.

(autor: nrey, Shutterstock)

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.

Minerál perovskit získal meno po významnom ruskom diplomatovi a mineralógovi. Disponuje typickou kryštalografickou štruktúrou, na ktorej je založená aj technológia tzv. perovskitových článkov. (autor: vvoe, Shutterstock)
Minerál perovskit získal meno po významnom ruskom diplomatovi a mineralógovi. Disponuje typickou kryštalografickou štruktúrou, na ktorej je založená aj technológia tzv. perovskitových článkov. (autor: vvoe, Shutterstock)

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).

Najnovšie technológie dovoľujú výrobu fotovoltaických článkov vo veľmi pružnej forme, ktorá umožňuje široké uplatnenie finálneho produktu. (autor: laremenko Sergii, Shutterstock)
Najnovšie technológie dovoľujú výrobu fotovoltaických článkov vo veľmi pružnej forme, ktorá umožňuje široké uplatnenie finálneho produktu. (autor: laremenko Sergii, Shutterstock)

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/

Autor: Helena Široká, preklad: Ing. Kateřina Kočická
Foto: Shutterstock

Tématické odbory

reklama

Nové

Tehly HELUZ zvyšujú akustický komfort v bytoch aj kanceláriách

Tehly HELUZ zvyšujú akustický komfort v bytoch aj kanceláriách

Zverejnené 3.4. Spoločnosť HELUZ sa v posledných rokoch zameriava na zvýšenie komfortu bývania nielen z hľadiska tepelnoizolačných vlastností, ale aj v oblasti akustiky. Na trh uviedla hneď dva tehlové bloky – kompozitnú tehlu HELUZ AKU KOMPAKT 21 brúsená a nosné… ísť na článok

WPC – WoodPlastic ponúka kompozitné dosky v prémiovom rade TERAFEST

WPC – WoodPlastic ponúka kompozitné dosky v prémiovom rade TERAFEST

Zverejnené 2.4. Česká spoločnosť WPC – Woodplastic, výrobca a dodávateľ terás, plotov a obkladov z kompozitného dreveného materiálu, ponúka terasové dosky v prémiovom rade TERAFEST. Dosky štandardných profilov s prirodzene pôsobiacimi povrchmi sú k dispozícii v… ísť na článok

Premena podkrovia historického domu v unikátny trojpodlažný loft

Premena podkrovia historického domu v unikátny trojpodlažný loft

Zverejnené 31.3. Takmer trojročná rekonštrukcia horných poschodí pamiatkovo chráneného objektu na pražskom Novom Meste viedla k vytvoreniu nevídaného bytového priestoru - loftu. Monolitické betónové schodisko podčiarkuje historický ráz objektu, ale zároveň vďaka… ísť na článok

reklama