Kolik energie lze vymáčknout ze solárních panelů? Jejich účinnost raketově roste

Brzy tomu bude přesně 70 let, co 25. dubna 1954 skupina vědců z Bellových laboratoří ve Spojených státech představila světu vůbec první křemíkový fotovoltaický článek. K tomuto výročí jsme na Obnovitelně.cz připravili seriál o historii vývoje solárních panelů.

Seriál k 70 letům od představení prvního křemíkového fotovoltaického článku:

1. Fotovoltaický pravěk: první „solární elektrárnu“ namontovali na střechu před více než 100 lety
2. Kolik energie lze vymáčknout ze solárních panelů? Jejich účinnost raketově roste
3. Česká solární historie: první panely vyrostly před 26 lety v Jeseníkách
4. Moderní fotovoltaika slaví 70 let. Kde všude našla za tu dobu uplatnění?

V druhém dílu seriálu se zaměříme na postupné pokroky ve zvyšování efektivity fotovoltaických článků. Zmíněný první křemíkový panel měl účinnost šest procent, což je z dnešního pohledu, kdy nejmodernější panely běžně překonávají dvacetiprocentní hranici, až komické. Jenže na svou dobu šlo o skutečnou revoluci.

V polovině minulého století to bylo poprvé, kdy dostatečné množství sluneční energie dokázalo udržet domácí elektrické spotřebiče v provozu. Technická novinka vědců Daryla Chapina, Calvina Fullera a Geralda Pearsona našla významné praktické uplatnění už o pár let později: v roce 1958 byla do vesmíru vypuštěna první umělá družice s přístroji napájenými z fotovoltaických článků – Vanguard l. Od té doby se fotovoltaické články používají na kosmických družicích dodnes. A nejen tam.

Začátek pod jedním procentem

Abychom si uvědomili, o jak významný pokrok v roce 1954 šlo, je zapotřebí se vrátit do úplného fotovoltaického pravěku. Když americký vynálezce Charles Fritts vyrobil v roce 1883 fotovoltaické články na bázi selenu, byla jejich účinnost nižší než jedno procento. Jeho následovník Russell Shoamaker Ohl byl v roce 1940 přece jen o něco úspěšnější, účinnost jeho článku z křemíku byla však stále jen okolo jednoho procenta.

Víceméně to byly jen experimenty, které těžko mohly najít využití v praxi. Trvalo to dalších 14 let, než se vývoj posunul potřebným směrem – právě díky objevu článku z monokrystalického křemíku ve slavných Bellových laboratořích, jejichž historie sahá až do poloviny dvacátých let minulého století.

V šedesátých letech už účinnost přesáhla deset procent. Prudký rozvoj fotovoltaiky pak nastal na přelomu druhého tisíciletí.

• Tip: Fotovoltaika v barvě terracotty v historickém centru nebo v bílé pro design

„Účinnost fotovoltaických panelů se za posledních zhruba 15 let zvýšila ze 13 na více než 20 procent. Stále přitom roste díky výzkumu a vývoji nových technologií. I během špatného počasí a zatažené oblohy tak panely do určité míry vyrábí elektřinu,“ potvrdil Obnovitelně.cz Martin Schreier ze společnosti ČEZ.

Firmy se dnes doslova předhánějí, kdo uvede do prodeje efektivnější solární články. Nejvýkonnější dnes na trhu dostupné panely dosahují účinnosti dokonce přes 24 procent. Maxeon 7 výrobce SunPower má efektivitu 24,1 procent, ABC panely společnosti Aiko Solar dokonce 24,27 procent a vývoj se u těchto hodnot určitě nezastaví.

Vyšší výkon, delší životnost

Teoreticky platí, že by výkon měl každoročně degradovat přibližně o půl procenta, takže běžné solární panely měly být po pětadvaceti letech provozu na zhruba 85 procentech původního výkonu. Zkušenosti Petra Ondřeje, ředitele Andrew Solar, jsou ale odlišné.

„Výrobu z fotovoltaiky sleduji měsíc po měsíci již 14 let. Pokud mohu porovnat jednotlivé roky, a přepočítám-li výrobu na jeden kilowatt instalovaného výkonu, tak je výroba stále na 1000 kWh / 1 kW a ani po 13 letech není vidět žádná degradace panelů. Rozdíly ve výrobě mezi nejhorším a nejlepším rokem je více než deset procent a vše je primárně závislé na klimatických podmínkách,“ sdělil Ondřej Obnovitelně.cz.

Potvrdil, že zatímco v letech 2009 a 2010 se pohybovala účinnost fotovoltaických panelů mezi 13 až 13,5 procenty, ty nejmodernější se dávno přehouply přes 20 procent. „Došlo i ke zvýšení hustoty výkonu panelu na metr čtvereční. V roce 2010 jsme potřebovali na jeden megawatt zhruba dva hektary pozemku, dnes to je okolo jednoho hektaru,“ dodal Ondřej.

Podcast Pod proudem: Na českých střechách může vzniknout ještě 10 tisíc megawattů fotovoltaik

Tento zásadní posun potvrdil Aleš Dobřecký ze Solar Global. „Výkon panelů za posledních přibližně 14 let stoupl více než dvojnásobně,“ sdělil Obnovitelně.cz. „Také můžeme říct, že s dobrou volbou panelů – a díky mnoha letům zkušeností je už umíme vybrat – je možné se vyhnout vyššímu poklesu výkonu v čase, než bylo běžné před 14–15 lety. Díky novým technologiím dnes výrobci garantují přes 85 procent výkonu po 30 letech fungování.“

V České republice sice nejsou pro fotovoltaiku tak dobré podmínky jako jinde ve světě, na druhou stranu je to ale prospěšné pro životnost panelů. „Navzdory nižšímu ročnímu úhrnu dopadající sluneční energie mají tuzemské solární projekty výhodu v mírné zimě a podnebí, které prodlužuje životnost panelů a snižuje nároky na jejich údržbu,“ poznamenal Zdeněk Sobotka, majitel a zakladatel společnosti Solek Holding SE.

Rozvoj s českou stopou

Spolu s velkým rozmachem solární energetiky postupuje rovněž nebývale rychle technologický vývoj panelů. Vlády i firmy investují v poslední době nemalé peníze, takže se fotovoltaická energetika stává jedním z klíčových odvětví Evropské unie. Právě EU předloni založila European Solar Photovoltaic Industry Alliance, která podporuje vývoj nových produktů a sdružuje výrobce, dodavatele i realizační firmy v oblasti fotovoltaiky pro průmysl.

„Ano, v poslední době můžeme pozorovat, že se do fotovoltaiky a jejího zpřístupnění nebo lepší účinnosti začalo masivně investovat,“ potvrdila před časem Obnovitelně.cz Veronika Minaříková, marketingová ředitelka společnosti Solar Design.

Jedním z hlavních směrů technologického vývoje je právě zvyšování účinnosti fotovoltaických panelů, tedy aby se ze sluneční energie vyrobilo co nejvíce elektřiny. Na tomto poli se výrazně angažuje také Evropská unie v rámci projektu Pilatus, díky němuž by měly na starém kontinentu vzniknout tři pilotní linky na celý výrobní cyklus inovativních křemíkových solárních panelů.

• Související: Český objev pomohl zvýšit účinnost solárních panelů. Efektivita naroste na 26 procent

Speciální technologie s kontakty na spodní straně panelů umožní fotovoltaickým článkům přeměnu energie vyšší než 26 procent. Také proto se o panelech nové generace hovoří jako o fotovoltaickém ferrari. Projekt má pomoci snížit závislost Evropy na čínské produkci. A má rovněž výraznou českou stopu.

„Pokud chceme být konkurenceschopní, musíme přijít s novou, vysoce účinnou technologií, díky které bude fotovoltaika cenově dostupná a zároveň splní přísné ekologické požadavky. Proto budeme pro výrobu tohoto fotovoltaického ‚ferrari‘ využívat z velké části energii z norských vodních elektráren a minimalizovat tak jeho uhlíkovou stopu,“ řekl Martin Ledinský, jehož tým z Fyzikálního ústavu Akademie věd se na evropském projektu podílí.

Více než 40 procent?

Dá se jít s účinností ještě výše? Přes 30 nebo dokonce přes 40 procent? Podle Ledinského takové možnosti jsou, ale je zapotřebí výraznější technologická změna, která umožní lepší využití světelného spektra.

Co konkrétně to obnáší? Laicky řečeno, že se na současný křemíkový článek přilepí ještě jeden z materiálu, který bude vyrábět elektřinu z té části slunečního spektra, z níž to křemík neumí tak dobře. Takové materiály už existují, říká se jim halidové perovskity (minerál dostal pojmenování po ruském diplomatovi, ministrovi, mineralogovi a archeologovi Lvu Alexejovičovi Perovském).

„Vývoj technologií fotovoltaických panelů je skutečně velmi dynamický, což souvisí s rostoucím zájmem o obnovitelné zdroje energií,“ potvrdil Obnovitelně.cz David Krásenský ze společnosti Columbus Energy. Nejde podle něj jen o výkon, který se za poslední roky významně zvýšil, ale také o použité materiály a nové technologie.

• Tip: Konec závislosti na Číně? S vývojem „fotovoltaického Ferrari“ pomáhají i čeští vědci

„A ještě zajímavější je budoucí vývoj těchto technologií, jako jsou ultratenké a ultralehké fotovoltaické panely nebo flexibilní panely. V Columbusu vidíme budoucnost v perovskitových fotovoltaických článcích, které vyvíjí startup Saule Technologies jako součást skupiny Columbus. Na konci loňského roku byly vyslány na testování do vesmíru raketou SpaceX a nyní podnikáme kroky pro urychlení komercializace a rozšíření této technologie,“ dodal Krásenský.

Díky novým technologiím by se účinnost křemíkové fotovoltaiky mohla v budoucnu zvýšit výrazně nad 30 procent. V laboratorních podmínkách se díky spojení několika solárních článků za sebe dokonce podařilo dosáhnout účinnosti 48 procent. „Aplikace vícevrstvé fotovoltaiky je zatím poměrně daleko, ale její čas přijde,“ poznamenal Martin Ledinský z Fyzikálního ústavu.

V příštím článku si připomeneme historii fotovoltaiky v Česku a zavzpomínáme na první českou fotovoltaickou elektrárnu. 25. dubna pak výročí 70 let od představení prvního křemíkového článku oslavíme hned dvěma panelovými debatami s předními českými experty na fotovoltaiku. Akci pořádá Aliance pro energetickou soběstačnost ve spolupráci se Svazem moderní energetiky a Solární asociací. Mediálním partnerem bude Obnovitelně.cz

Úvodní ilustrační foto: Solar Global