Před deseti lety jí takzvaní solární baroni pokazili pověst, lány modrých panelů na polích místo obilí jí na popularitě nepřidávají. Sama fotovoltaika je v tom ovšem nevinně. Široká vědecká obec ji i nadále považuje za nadějný alternativní způsob, jak vyrábět elektřinu. Mezi obnovitelnými zdroji mnozí dokonce slunci předpovídají velkou budoucnost. Jak by mohla vypadat moderní fotovoltaika a co pro to dělají badatelé z Akademie věd ČR? Posouvání hranic v energetice podporuje i program Strategie AV21 – Účinná přeměna a skladování energie.
Má vůbec Česko vhodné podmínky pro výrobu solární energie? Přece jen je u nás podle statistik průměrně 1600 hodin slunečního svitu ročně, což vychází na necelé čtyři a půl hodiny denně. „Ačkoli to zní neuvěřitelně, solární energie je dostatek. Mohlo by jí být tolik, že bychom ani nevěděli, co s ní. Daleko od pravdy není ani představa, že když svítí slunce, cena elektřiny bude mířit k nule! A to platí i pro Českou republiku, dokonce to začíná platit i za polárním kruhem, i za ním už fotovoltaika začíná být ekonomicky návratná. Kdyby to ale někdo řekl před pětadvaceti lety, kdy jsme v oboru začínali, znělo by nám to jako sci-fi,“ říká na úvod Antonín Fejfar, vedoucí oddělení tenkých vrstev a nanostruktur ve Fyzikálním ústavu AV ČR.
Slunce v čele pelotonu
Solární energie vedle větrné, vodní, geotermální či z biomasy je důležitou složkou obnovitelných zdrojů. Z posledních dostupných dat ministerstva průmyslu a obchodu – pro rok 2019 – vyplývá, že obnovitelné zdroje u nás v současné době celkově ve vyrobené elektřině zaujímají asi třináctiprocentní podíl. Majoritu si stále udržují fosilní paliva, hlavně hnědé uhlí, které se na výrobě energie podílí asi ze dvou pětin, jaderná energie přispívá třetinovým podílem.
Spolu se závazkem, který si Česká republika dala s cílem snížit emise oxidu uhličitého – že do roku 2038 uzavře uhelné elektrárny –, tak bude muset dojít k zásadní revizi energetického mixu. Cesty k udržitelnému přístupu k výrobě elektřiny a tepla se hledají již desítky let. V oblasti fotovoltaiky věda již našla pár slibných směrů, které dále rozvíjí.
Naprostá většina fotovoltaických systémů, které v Evropě vidíme, je z křemíku.
Že slova z úvodu nepopisují žádný fantaskní svět, dokládá třeba situace v sousedním Německu, kde se podíl elektřiny pocházející z obnovitelných zdrojů již blíží polovině celé produkce. Stát chce přitom být od roku 2022 nezávislý na jaderné energii a do roku 2037 zastavit spalování uhlí, k čemuž míří i celá Evropa. V současné výrobě elektřiny tam fotovoltaika zaujímá asi třináct procent – v porovnání s Českem o deset procentních bodů více. „Pamatujete poučku, že sever se pozná podle lišejníků na stromech? To ne vždy nefunguje, ale v Německu se sever pozná snadno – podle střech rodinných domů, na severní straně solární panely nejsou. Tím bychom se rozhodně měli inspirovat. Je to cesta k soběstačnosti domácností v oblasti výroby elektřiny,“ zmiňuje Martin Ledinský, který ve Fyzikálním ústavu AV ČR vede skupinu tenkých vrstev pro fotovoltaické aplikace.
Ne na polích, ale na střechách
Obrázek pomohou dokreslit následující čísla: roční spotřeba elektřiny v českých domácnostech činí asi 1400 kilowatthodin na jednoho člověka, na což bychom v našich podmínkách potřebovali instalaci sluneční elektrárny s kapacitou zhruba 1700 wattů špičkového výkonu. Převedeno na metry čtvereční, by tak „na hlavu“ připadalo asi 10 m2 obvyklých solárních panelů. „Pro čtyřčlennou rodinu to je asi čtyřicet metrů čtverečních – a to většina střech rodinných domů má,“ říká Antonín Fejfar s tím, že řešení pro bytové domy by přirozeně muselo být jiné. Skutečná produkce ovšem za touto vizí pokulhává, v Česku zatím zůstává přibližně na desetinové hodnotě.
Jeden z problémů fotovoltaické energie je nutnost jejího skladování. Jak už bylo řečeno, potenciál vyrobit jí dostatek je i v našich zeměpisných podmínkách dobrý, ale právě kvůli nerovnoměrnému dávkování slunečního svitu je potřeba energii nějakým způsobem regulovat – při nadprodukci ukládat a z těchto rezerv pak brát, když slunce nesvítí. „Zřejmě jediná možnost, jak ukládat energii z fotovoltaických zdrojů, jsou velké lithiové baterie,“ poznamenává Ladislav Kavan z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR, kde vede oddělení elektrochemických materiálů. Když říká velké, myslí tím obrovské – asi jako lodní kontejner. Takové baterie už ve světě fungují ve fotovoltaických či větrných elektrárnách, ostatně za jednou z nich stojí i vizionář Elon Musk.
Jak přelstít fyzikální zákony?
Vedle pátrání po způsobech, jak energii ukládat, vědci neustále zdokonalují samotné solární panely, aby byly schopné co nejúčinnější přeměny. Právě účinnost je zde alfou a omegou. Již od šedesátých let minulého století je známo, že u jednoduchých fotovoltaických článků existuje hranice, přes kterou se kvůli fyzikálním zákonitostem nelze dostat – tímto takzvaným Shockleyovým–Queisserovým limitem je 33 procent. Vše ostatní jsou nutné ztráty, víc se zkrátka ze světla dopadajícího na jednomateriálový panel „nevyždímá“.
Ladislav Kavan z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR (vlevo) a Antonín Fejfar z Fyzikálního ústavu AV ČR (uprostřed) jsou rovněž členy Komise pro energetiku AV ČR.
Proč zdůrazňujeme „jednomateriálový“? Svým způsobem přelstít fyzikální zákony totiž lze tandemovou kombinací více materiálů, z nich každý lépe využívá jinou část spektra slunečního záření, taková spolupráce vede k vyšším výkonům. Současná rekordní hodnota, dosažená kombinací několika materiálů a koncentrací světla, se vyšplhala až k závratným 47 procentům.
Matadorem mezi materiály ve fotovoltaice je křemík. Jeho různé podoby – od monokrystalických přes multikrystalické po tenkovrstvé – se postupně testují už od sedmdesátých let. Startovaly zhruba na třináctiprocentní účinnosti a během čtyř dekád se dostaly na své maximum – hodnoty okolo 26 procent.
Rekordman křemík
Ostatně, pracovníci Fyzikálního ústavu AV ČR se podíleli i na snaze o nejvyšší účinnost tenkovrstvého křemíku. „Tento směr ovšem skončil ve slepé uličce. Maximum se ustálilo na hodnotě něco málo přes čtrnáct procent, což nemůže konkurovat deskovým článkům, které běžně mají přes dvacet. Sice to je technologie, která dobře funguje, ale ekonomicky neobstojí,“ komentuje Antonín Fejfar výzkum svého kolegy Tomáše Matese a Martin Ledinský přidává vysvětlení: „Dnes jsme se totiž dostali do fáze, kdy sama fotovoltaická deska je levnější než všechny podpůrné systémy okolo jako upevňovací zařízení na střechu, invertory a podobně. S menší účinností logicky potřebujete větší plochu, a tím vzrůstají náklady.“
Daleko významnější úspěch s dosahem až do průmyslu si čeští fyzikové připsali spolu s evropským projektem NextBase, jehož se mezi roky 2017 a 2019 zúčastnilo čtrnáct výzkumných institucí i firem z osmi zemí a který Evropská komise zařadila mezi takzvané success stories – úspěšné projekty. Mezinárodní tým zdokonalil křemíkové články natolik, že se směle mohou měřit s těmi nejlepšími, většinou jihoasijské výroby, a to i z ekonomického hlediska. Z projektu dokonce vzešla nedávno obnovená výroba v německých továrnách, Evropa – v této oblasti dosud průmyslově minoritní – by tak mohla alespoň zčásti konkurovat Asii.
Český vklad do projektu NextBase byl významný. Pražští vědci dodali ucelenou metodiku kontrolní optické profilometrie, jež využívá prvků zmíněného tenkovrstvého křemíku. „Zkoumali jsme ho dvacet let, a ani když se neosvědčil jako samostatný článek, jsme ho nezatratili. Ukázalo se, že kombinace křemíkových článků deskových s tenkými křemíkovými vrstvami je směr, který bude udávat trend,“ říká Martin Ledinský, autor patentem chráněné myšlenky.
Martin Ledinský z Fyzikálního ústavu AV ČR se čile věnuje popularizaci – například v sérii videí #vedanadovolenou.
Naděje vzbuzuje perovskit
Jak ovšem upozorňuje Antonín Fejfar, vědci nesmějí usnout na vavřínech. Tento úspěch tehdy otevřel asi pětileté okno, kdy mají náskok nad konkurencí. „Musíme jít ale dál a hledat nová vylepšení. Vzhledem k brzkému vyčerpání potenciálu zlepšování křemíkových článků budou dalším krokem kombinace s jinými materiály.“
Těmi jsou zejména organometalické halogenidy se strukturou perovskitu. Název je odvozen od minerálu CaTiO3, který byl pojmenován po ruském politikovi L. A. Perovském. Experimentovat v solárních článcích se s nimi začalo až v roce 2012, kdy měly účinnost kolem deseti procent, během devíti let se však vyšvihly až na současných více než 25 procent. „Žádný jiný systém se tak rychle a tak výrazně nevylepšil,“ podotýká Ladislav Kavan.
Druhým dechem však dodává, že slibný materiál má i své nevýhody. Tou hlavní je přítomnost olova v rozpustné organometalické formě. „Je příliš toxická. Vrstvička perovskitu tenčí než jeden mikron obsahuje jen několik set miligramů olova v metru čtverečním, přesto je tato forma olova asi desetkrát jedovatější než například u olověných akumulátorů v autech,“ vysvětluje.
Problém kontaminace olovem je závažný zejména proto, že perovskitová fotovoltaika se již začíná rozšiřovat do stadia průmyslové výroby. Příkladem je nedávno otevřená továrna v polské Vratislavi na výrobu perovskitových článků na bázi inkoustového tisku na flexibilní panely, které lze využít jak na střechách či stěnách budov, ale třeba i na kryty mobilních telefonů.
Navzdory této nevýhodě i dalším problémům – například poměrně velké nestabilitě a sklonům k rychlé degradaci – jsou perovskity aktuálně nejdůležitějším výzkumným směrem. Hledají se cesty, jak jedovaté olovo nahradit, například neškodným cínem. To jsou stále ještě úkoly pro základní výzkum, už dnes však můžeme říct, že solární energetiku čeká nadějná budoucnost. Zajímavou možností je právě kombinace perovskitu a křemíku v tandemu, který již dosáhl účinnosti přes 29 procent. Navíc tento systém poskytuje relativně velmi vysoké pracovní napětí, které například postačuje pro úplnou elektrolýzu vody na vodík a kyslík. Vodík je považován za „palivo budoucnosti“, a proto jeho výroba s využitím solární energie je další výzvou pro vědu a technologie 21. století.
Článek vyjde v popularizačním časopise Akademie věd ČR A / Věda a výzkum v září 2021.
Text: Jana Bečvářová, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR
Foto: Hippopx.com, Stanislava Kyselová, Akademie věd ČR; archiv Martina Ledinského
Text je uvolněn pod svobodnou licencí Creative Commons.