„Nejekologičtější“ dnes vyráběné fotovoltaické panely jsou zároveň ty nejjedovatější. Jsou tenké a levné, ale obsahují nebezpečný těžký kov kadmium. To je dokonce uvedeno v jejich názvu; podle hlavních účinných materiálů se panely označují jako CdTe články. Zkratka obsahuje chemické názvy kadmia (Cd) a teluru (Te).
K jejich výrobě je zapotřebí méně materiálu a méně energie než u článků křemíkových, ale mají své nevýhody, díky kterým dnes pokrývají méně než desetinu celkového trhu. Jedním je například právě využití jedovatého kadmia. Tento problém by ale možná mohl nečekaně snadno zmizet. Skupina britských vědců v časopise Nature zveřejnila práci (placený přístup odsud), podle které by mělo být možné jedovatý kov snadno nahradit bezpečným hořčíkem.
Máchání v kadmiu
Kadmium je problémem hlavně při výrobě článků, kdy se mimo jiné používá sůl tohoto kovu (je to chlorid kademnatý, tedy CdCl2) - výrazně, více než pětkrát, zvyšuje účinnost. Bez tohoto kroku je technologie úplně nepoužitelná.
Použitá sůl kadmia je však velmi nebezpečná. Na rozdíl od jiných sloučenin tohoto kovu použitých při výrobě CdTe článků se velmi snadno rozpouští ve vodě – v životním prostředí i v lidském těle – a stává se zdrojem jedovatého kovu. Musí se s ní nakládat velmi opatrně a nákladně se likviduje.
Jonathan Major
Není tak divu, že chemik Jonathan Major s kolegy z univerzity v Liverpoolu zkoušel chlorid kademnatý nahradit něčím jiným. Vyzkoušel například i běžnou kuchyňskou sůl, ale ta se nehodila: článek měl zhruba jen poloviční účinnost než při použití kadmia. Ale osvědčila se jiná náhrada: hořčík. Chlorid hořečnatý (MgCl2) dokázal svého kadmiového pobratima nahradit při laboratorní přípravě článku prakticky beze zbytku. Při jeho využití vznikl v laboratoři solární panel s prakticky stejnou účinností a dalšími charakteristikami, včetně třeba obsahu nečistot či poklesu výkonu v průběhu času.
Zdá se, že v tomto případě jde o vzácný případ, kdy by mělo být možné poměrně jednoduše nahradit ve výrobě jednu sloučeninu jinou. Mělo by to dokonce mít několik výhod. Za prvé chlorid hořečnatý není zdravotně nebezpečný. Používá se jako příměs do sypacích solí během zimy či solí do koupele a také ke srážení sójového mléka při výrobě tofu.
Navíc je více jak stokrát levnější než CdCl2 a je dostupný v podstatě v libovolném množství podle poptávky z mořské vody. Jak velké úspory mohou být, je těžké odhadovat. Zástupce největšího výrobce v oboru, firmy First Solar, pro časopis Nature řekl, že chlorid kademnatý nepředstavuje významnou část nákladů na výrobu. (Přesto - nejspíše v rámci patentové ochrany - si First Solar v loňském roce podal žádost o patent na použití všech možných chloridů ve výrobě CdTe článků včetně chloridu hořečnatého.)
Dobrá zpráva pro jednoho?
Pokud se objev a jeho implikace potvrdí, měla by být to dobrá zpráva především pro jednu firmu, již zmíněný americký First Solar. Ta dnes představuje jednoznačně největšího výrobce tohoto typu panelů. Při srovnání nákladů na výrobu je asi nejlevnějším výrobcem panelů ve větším měřítku na světě vůbec.
Cena výroby panelů firmy ve IV. čtvrtletí loňského roku prý byla kolem 0,53 dolaru (tedy cca 10 Kč) na watt maximálního výkonu. V českých podmínkách by takový panel mohl vyrobit elektřiny za nějakých 60 haléřů, možná více. Ve skutečně slunečných státech by to mohlo být až dvakrát více. Samozřejmě je to jen teoretický případ: jen panel nestačí a cena celého systému by byla několikanásobně vyšší (záleží na velikosti, umístění).
CdTe panely se využívají především na velkých instalacích, kde je hodně místa a kde cena panelů tvoří zdaleka největší část ceny (u menších instalací tvoří větší podíl měniče, samotné upevnění atp.) Na snímku je Copper Mountain Solar Facility v Nevadě. Mimochodem díky pouštním podmínkám tu panely vyrábějí téměř dvakrát více energie, než by vyrobily v ČR.
K výrobě se využívá podstatně méně energie; energie vložená do výroby panelu se obvykle vrátí za dobu od několika měsíců do zhruba dvou let podle světelných podmínek a účinnosti panelu. Používá se také poměrně málo drahých materiálů, protože účinná vrstva CdTe je tenká jednotky mikrometrů (u křemíkových panelů stovky mikrometrů).
CdTe panely mají samozřejmě i nevýhody. První je samozřejmě kadmium. To se z nich sice během životnosti v podstatě neuvolňuje (voda ho nevymývá), odpad je ale nutno likvidovat za alespoň nějakých bezpečnostních podmínek. Je to velký rozdíl proti křemíkovým panelům, které prakticky žádné jedovaté látky neobsahují a mohou se bezpečně recyklovat. Tuto výhodu nový postup nenahrazuje: náhrada látek nemá vliv na chemické složení článku (tj. stále obsahuje kadmium). Jde jen o látku používanou při výrobě pro zlepšení vlastností materiálu a tím zvýšení účinnosti. Práce s jedovatým chloridem kademnatým ve výrobě je ale samozřejmě potenciálně nebezpečná pro zaměstnance a relativně nákladná pro výrobce - musí mít speciálně upravený provoz a odpad bezpečně likvidovat.
Jak se zbavit jedů
330 nanometrů silný film perovskitu na skle. To je základní aktivní prvek nových článků s účinností 15 procent. V pozadí jsou různé typy pokusných článků z jiných materiálů.
Zbavit se toxických látek se nepokouší jen u CdTe panelů. Stejný problém řeší například i výzkumníci zabývající se (zatím jen v laboratoři) velmi nadějnou technologií tzv. perovskitových panelů (více o nich v našem starším článku). Články zatím nikdo nevyrábí, ale laboratorní vzorky udělaly během několik málo let ohromný skok kupředu prakticky až na účinnost dnešních článku (rekord je 19,3 procenta). Přitom vyžívají pouze levné materiály a ještě v malém množství, takže by mohly být stejně výkonné a přitom podstatně méně nákladné než dnes vládnoucí křemík.
Jednou z potíží přenosu do výroby bylo ovšem i to, že články obsahují malé množství olova. Účinnou vrstvu tvořily sloučeniny halogenů, tedy chloru a podobných prvků právě s olovem. Olovo jako poměrně dosti toxický kov (nesmí se používat ani v běžné spotřební elektronice třeba při pájení spojů) by mohlo představovat bariéru proti zavádění panelů do praxe.
Ale jak v květnu letošního roku dokázaly publikace dvou nezávislých týmů (z Oxfordu a z amerického Illinois), bezolovnaté perovskitové články mohou fungovat. Účinnosti jejich prototypů jsou nízké, jen kolem šesti procent, ale na poprvé to není špatný výsledek. A i kdyby se ji nepovedlo zvýšit na dostatečnou úroveň, jejich zkušenosti by mohly vést možná alespoň k výraznému snížení obsahu této látky i v účinnějších perovskitových panelech.
Samozřejmě obsah toxických látek je u fotovoltaiky spíše okrajový problém. Větším je stále cena a fakt, že výroba z nich závisí do příliš velké míry na rozmarech počasí. Naprostá bezpečnost by mohla pomoci k vylepšení pověsti technologie v očích té části veřejnosti, která fotovoltaiku (hlavně kvůli státním podporám) považuje za neperspektivní.
Oprava: V článku byl telur chybně označen jako telurid a nepřesně napsáno, že nový postup by mohl solární panely zbavit obsahu nebezpečných látek. Za omyly se omlouváme.
