Nová technologie ve fotovoltaice může nahradit křemík a tím i Čínu

Solární sektor v Evropské unii zasáhlo v roce 2024 výrazné zpomalení. Předcházející tříletý raketový růst investic do rozvoje obnovitelných zdrojů energie (OZE) nebrzdily ani stoupající náklady na klíčové materiály, jakými jsou ocel a polykrystalický křemík. 

Znalci odhadují, že až 80 % fotovoltaických panelů bylo do EU dovezeno z Číny, přičemž zbývající import zpravidla pochází z dalších asijských zemí. Příliv levných fotovoltaických panelů z Číny vyvolal rekordní počty instalací, zároveň však likvidoval většinu výrobců solárních panelů v Evropě. 

Společnost Power Roll začala ve Velké Británii vyrábět tenkovrstvé solární články a testovat materiál perovskit. Jde o sloučeninu titanátu vápenatého v krystalické formě objevenou v roce 1839. Novodobý výzkum se zabývá hlavně jeho schopností zachytávání světla, zejména v rámci fotovoltaiky. Dohromady tyto technologie snižují potřebu vzácných zemin pro výrobu FVE panelů, zvyšují jejich spolehlivost, zlepšují schopnost absorbovat denní světlo různé intenzity a vykazují také jejich vyšší účinnost.

Čínské panely žijí jen krátce

Solární panely jsou sestavovány sériovým i paralelním řetězením jednotlivých fotovoltaických článků. Dosažitelný proud z fotovoltaického článku je dán aktivní plochou článku a technologií jeho výroby. Důležitou otázkou je maximalizace energetické účinnosti a spolehlivosti. V případě dovážených fotovoltaických panelů z Číny se však ukázalo, že reálná životnost FVE je zhruba poloviční oproti plánované době, neboť po 10 letech provozu frekvence závažných poruch prudce stoupá. Jak na to poukazují i naši odborníci, byly demonstrovány příklady delaminace, vytvoření vodivého kanálu mezi elektrodou a uzemněným rámem FV panelů, ale byl analyzován i počet poškozených střídačů.

Nový typ solárních článků představují tenkovrstvé solární články (thin film solar cells), zpravidla přezdívané fotovoltaické či solární fólie. Pomocí technologie, která je principiálně shodná s inkoustovou tiskárnou, lze ve výrobních procesech celý systém nanášet na poměrně velké plochy, tedy v širokých a dlouhých pásech tisknout i na ohebné podklady, kde polovodičová vrstva bývá široká jen asi jeden mikrometr. Účinnost fotovoltaických fólií a jejich životnost díky urychlenému vývoji a přicházejícím inovacím neustále stoupá. Vědecké týmy v případě solárních fólií také pracují na zvýšení účinnosti přeměny solární energie na elektřinu při použití perovskitů. Panely pak mohou absorbovat různé vlnové délky slunečního spektra. Perovskity jsou tak jedním z nejslibnějších kandidátů pro fotovoltaiku nové generace, neboť díky svým unikátním vlastnostem konkurují stávající křemíkové technologii.

účinnost perovskitových článků může dosahovat 45 procent

Běžně dostupné křemíkové fotovoltaické panely dnes pracují s efektivitou mezi 16 a 24 procenty. V důsledku ztrát fotonů s nízkou energií a tepelným ztrátám je tak využívána pouze část spektra slunečního svitu. Účinnost perovskitových slunečních článků díky intenzivnímu výzkumu během pouhých 5 let vyskočila z 6 % na 27 procent. Při vylepšení s více uzly by mohly podle expertů dosahovat až 45 procent. A ačkoliv v současnosti přesahují hranici 25 % (v laboratorních podmínkách 30 %), je nutné u těchto materiálů, které mohou absorbovat i jiné vlnové délky světla, ve výzkumu pokračovat.

Inovativní přístup k přeměně sluneční energie v elektrickou, kterému se v poslední době zdála dominovat Čína, otevřel britské společnosti Power Roll cestu k zahájení výroby lehkých, flexibilních solárních fólií, které lze použít nejen na střechy domů, ale i na jejich fasády či jiné netradiční povrchy, což snižuje zábor půdy pro FVE. Na jejich výrobu se nepoužívají TCO (Transparent Conductive Oxide), tedy transparentní vodivé oxidy, drahá součást tradičního solárního systému. Mají tak vysoký potenciál pro výrobu elektrické energie s nižšími náklady a větší efektivitou ve srovnání s klasickými solárními panely založenými na křemíku. 

Původní myšlenkou zde bylo kombinovat mikrodrážky s procesem vakuového potahování, jaký se používá při balení potravin, což by vytvořilo lehkou fólii pro řadu elektronických aplikací, včetně fotovoltaických solárních modulů. Lehká fólie řeší vysokou hmotnost a nedostatek flexibility, hlavní omezení tradičních solárních panelů. Aby snížili velké množství minerálů vzácných zemin, používaných v tradičním solárním systému, rozhodli se ve společnosti Power Roll pracovat s perovskity při pohlcování a přeměně slunečního záření na energii. K tomu všemu ale potřebovali levnější způsob výroby, pročež nakonec zvolili v průmyslu zavedený proces roll-to-roll. Jejich solární panely (fólie), vyrobené z běžně dostupných materiálů, kde mikroškálové buňky mají šířku pouhé 1/50 šířky lidského vlasu, jsou tedy lehké a flexibilní. Buněčná architektura znamená, že poškození jedné části modulu nemá vliv na celkový výkon, což je běžný problém u tradičních solárních panelů. Moduly jsou také méně ovlivněny stínem nebo slabým světlem.

Zde však jde o něco úplně jiného než u vyvíjené senzibilizace solárních panelů pro dosažení fotosenzitivního sběru světla. Některá barviva mají kumulativní absorpční vlastnosti, takže jejich absorpční spektra překrývají spektrální oblast, a mohou tak koncentrovat sluneční záření na fotovoltaický článek. I když samy elektřinu nevyrábějí, jejich výhoda je v tom, že nepotřebují přímé sluneční světlo a jsou ideální pro místa se světlem rozptýleným, což by mohlo snížit potřebu instalace dalších panelů. Ovšem problém spočívá v tom, že tyto koncentrátory mohou snížit celkovou účinnost fotovoltaického článku.

EU na jednání o licenční výrobě zatím nereaguje

Finálním výrobkem firmy Power Roll je tedy perovskitový solární článek, založený na drážkách o šířce 1,5 μm. Drážky jsou vyraženy do plastové fólie, jejíž protilehlé „stěny“ jsou selektivně vybaveny kontakty. Roztok prekurzoru perovskitu je nanesen do drážek, čímž se vytvoří jednotlivá fotovoltaická zařízení. Takzvaný „fotoaktivní inkoust“ je do mikrodrážek nanášen pomocí tisku a solární systém je chráněn horní i spodní bariérou zapouzdřovací fólie. Každé drážkové zařízení je sériově propojeno se svými sousedy, čímž vznikají minimoduly sestávající ze stovek spojených drážek. Při výrobě na bázi drážek a potahování štěrbin k ukládání prekurzoru perovskitu, se využívá škálovatelná technologie, splňující požadavky na výkonnou a nízkonákladovou výrobu.  

Ve Spojeném království již stojí pilotní výrobní linka společnosti Power Roll poblíž Durhamu. Probíhají jednání s licenčními partnery, jež mají umožnit rozšíření výroby jejich solárního systému i do jiných států. Tak by se v případě fotovoltaiky mohla Evropská unie zbavit závislosti na Číně. Slovutná Evropská komise, podobně jako v jiných případech závislosti na čínském průmyslu, však zaujímá pozici mrtvého brouka.