Znovu je to revoluce, tentokrát v solární energetice, dozvěděli jsme se z velkých českých internetových médií (viz Novinky, E15, Deník a další). Podle zprávy, kterou přinesla původně agentura ČTK, australští vědci oznámili průlom ve využití solární energie a „jako první na světě [...] dokázali přeměnit více než 40 procent dopadajícího slunečního světla na panely na elektřinu.“ Nový postup by měl časem zlevnit obnovitelné zdroje energie tak, aby mohly konkurovat například uhlí.
Po zhlédnutí originálu článku, který se zatím jen připravuje k vydání (děkujeme univerzitě v Novém Jižní Walesu za rychlé zaslání), si ovšem dovolujeme upozornit, že revoluce se odkládá. Celé je to trochu jinak. Sami dobře víme, že chybu občas udělá každý (autor udělal pořádnou v jednom nedávném článku o fotovoltaice), ale podle autora jde o omyl, který stojí za opravu.
Především s tvrzením o absolutním rekordu je to pochybné (tato chyba vznikla už na straně univerzity, jak ukáže pohled na tiskové prohlášení). Zrovna před několika týdny německo-francouzský vývojový tým oznámil výsledky fotovoltaického článku s účinností 46 procent (tady je tisková zpráva), tedy o šest procent více, než kolik činil výkon australské sestavy.
Rozdíly tu samozřejmě jsou: Australané testovali účinnost svého systému jako celku (včetně zrcadel atd.), Evropané jen samotného článku. Jde tedy o srovnání dvou odlišných „veličin“, ale to se nikde příliš nezdůrazňuje, a laik to tak při zběžném přečtení pozná těžko. V každém případě jde v obou případech o experimentální zařízení. Australský systém se v této podobě v praxi nikde neprovozuje a provozovat bez velkých úprav ani nebude a evropský článek je čistě experimentální.
Jistý rozdíl je i v tom, že u protinožců také pracovali venku, evropský výkon je jen z laboratoře. Má to samozřejmě své důvody. Evropané nemají vhodné světelné podmínky pro tyto typy zařízení (o tom dále) a navíc vyvíjejí téměř od základu nový typ článku, zatímco Australané „jen“ vylepšili již používané a komerčně dostupné články. Těžko tedy posuzovat, který výkon je „hodnotnější“. Technicky přínosnější je zřejmě ten evropský. Důležitější ovšem je, že i z tohoto velmi krátkého exkurzu do výzkumu je asi jasné, že v australském případě nejde o zcela unikátní a ojedinělý výkon, který by neměl na světě obdoby.
Musíme to rozdělit
Oba týmy také pracovaly s podobným „trikem“. Fyzikálně je totiž maximální účinnost jednoho fotovoltaického článku omezena na zhruba 30 procent. To je hranice, přes kterou se polovodičový panel z fyzikálních důvodů nedostane. Ale dá se obejít položením několika tenkovrstvých článků nad sebe, přičemž každý z nich má trochu jiné chemické složení, a tím i jinak „vyladěné“ vlastnosti, aby pohlcoval co nejlépe určitou část spektra a zbytek propouštěl ke zbylým „vrstvám“. V obou případech šlo de facto o čtyři články v jednom, trochu se ovšem lišil přístup.
Evropský tým „upekl“ od základu vlastní článek se čtyřmi „vrstvami“ (p-n přechody), australská skupina využila jeden komerčně dostupný třívrstvý článek a k němu přidala navíc ještě jeden křemíkový článek. Trik spočíval v tomto případě v tom, že rozdělili světelné spektrum tak, aby každý z článků zpracoval tu část spektra, kterou umí lépe využít. Je to poměrně levný, byť ne úplně jednoduchý způsob, jak zvýšit účinnost celého systému, čtvrtý přidaný modul je totiž výrazně levnější než tři zbylé.
Sestava, kterou australštví vědci použili k dosažení cca 40procentní účinnosti v přeměně sluneční energie na světlo. Velký obrázek zachycuje celkové schéma: parabolické zrcadlo (vpravo nahoře) soustřeďuje sluneční záření na další odraznou plochu, kde se světelné spektrum rozděluje (detail vpravo dole). Většina se ho odráží na dražší a účinnější článek vpravo se třemi „vrstvami“. Menší část spektra pak vyrábí elektřinu na křemíkovém článku vpravo.
Vědci z Australie sice ve své sestavě použili na trhu dostupné panely, ale nejde o běžné typy používané v solárních elektrárnách, ať už velkých, nebo jen na střechách domů. Jde naopak o špičkové panely, které slouží jen u těch nejnáročnějších aplikací. Hlavní rozdíl je v ceně. Vysoce účinné panely na bázi arsenidu gallia (GaAs) a podobných sloučenin jsou na jednotku výkonu mnohem dražší než běžně používané křemíkové články. Jejich cena je několikasetnásobně vyšší než cena běžného křemíkového článku (záleží ještě na přesných specifikacích), říká český odborník na fotovoltaiku Milan Vaněček z Fyzikálního ústavu Akademie věd.
Abychom to ilustrovali: když si tedy koupíte křemíkové panely za řekněme sto tisíc korun, vyrobíte z nich v běžných podmínkách zhruba dvěstěkrát více energie než z GaAs panelů za stejné peníze. Proto se například na střechy tato dražší technologie nikdy nepoužívá.
Do vesmíru a pouští
Využití ovšem mají například na vesmírných sondách a družicích, kde rozhoduje především vysoká účinnost. Připomínáme, že doprava jakéhokoliv materiálu navíc (třeba většího solárního panelu) do vesmíru je velmi drahá. Vynesení jednoho jediného kilogramu na nízkou oběžnou dráhu vyjde na více než sto tisíc korun (a to je nejnižší veřejně známá cena, které nepočítá s velmi drahým pojištěním). V případě telekomunikačních satelitů, které jsou na podstatně vyšší geostacionární dráze, je pak cena za dopravu kilogramu nákladu ještě zhruba třikrát vyšší.
Další využití mají ve specializovaných systémech, se kterým pracovali i australští vědci z univerzity v Novém Jižním Walesu. V nich zrcadla soustředí světlo dopadající na velkou plochu na malý článek. Ten tím pádem může být výrazně dražší, protože pracuje s „bohatším“ palivem než jiné solární elektrárny. V českých podmínkách a obecně ve všech oblastech mimo ty extrémně slunné (zrovna australské pouště jsou dobrý příklad) takový systém není praktický. Vyžaduje totiž přímé sluneční světlo, jinými slovy po většinu roku zcela modrou oblohu. Rozptýlené světlo podmračeného počasí se soustředit nedá, a využití drahých a účinných článků na bázi třeba arsenidu gallia či jiných drahých materiálů v takových podmínkách postrádá jakýkoliv ekonomický smysl.
Samotná událost se tedy stala, ale „tichá pošta“ od původního článku přes tiskové oddělení univerzity až po tiskovou agenturu a média původní výsledek, který podle Milana Vaněčka vědecky převratný rozhodně není, proměnila v horkou revoluční novinku.
Ukázka využití drahých solárních článků z arsenidu gallia. To je plně rozvinutý panel sondy Dawn, která se vydává do pásu planetek mezi drahami Marsu a Jupiteru. Celková plocha obou panelů sondy je 36,4 metrů čtverečných a na oběžné dráze Země mají výkon cca 10 kW. Křemíkové panely by na stejný výkon potřebovaly plochu více jak dvojnásobnou. V českých klimatických podmínkách mají výkon 10kW solární elektrárny zhruba o ploše 100 m2.
Závod s mnoha koňmi
To na druhou stranu neznamená, že by výzkum v této oblasti stagnoval nebo nepřinášel zajímavé výsledky. Nedávno jsme psali o bleskovém nástupu nového materiálu pro výrobu tzv perovskitových panelů, které se během krátké doby staly středem zájmu mnoha týmů. „Jsou to výjimečné materiály, protože najdete málo takových látek, ze kterých lze tak jednoduše a bez drahého vybavení připravit kvalitní, přitom levné a vhodné polovodiče,“ říká Milan Vaněček.
Ve hře je i řada dalších vylepšení známých technologií. Například dnes velmi drahé články s obsahem prvků jako galium či arzén by do budoucna mohly také poměrně zajímavě zlevňovat. Jejich výroba je v tuto chvíli obecně velmi nákladná, protože pro růst při výrobě (tzv. epitaxe, tedy nárůst krystalického materiálu na podložce) vyžadují drahou podložku z materiálů, jako je například germanium. Každá várka se musí v podstatě připravit včetně právě této drahé podložky.
Ale už se podařilo najít metodu, jak je vyrábět opakovaně na stejné podložce mnohokrát, což výrobu podstatně zlevní. Její zavedení do výroby bude ovšem drahé a bude vyžadovat značné náklady, které se musí nejdříve zaplatit. Přesto právě taková velkosériová výroba bez mnoha vad a s vysokou spolehlivostí je důležitou součástí zlevňování křemíkových panelů v posledních letech a může přinést i výrazné zlevnění GaAs panelů.
Přijít také mohou samozřejmě i další překvapení: „Tenhle obor je dostih, ve kterém běží spousta koní a vyhrát může celá řada z nich. V příštích pěti letech se nepochybně objeví celá řada zajímavých věcí,“ říká Milan Vaněček. Navíc mohou různé články najít svá vlastní použití s trochu jinými nároky (pro velké elektrárny, střešní panely, fasády budov, spotřební elektroniku, vesmírné sondy atp.), takže vítězů může být více.
