Revoluce ve fotovoltaice s českou stopou: Vědci vyvíjejí ekologické solární články
Tradiční křemíkové solární panely by mohla časem nahradit ekologičtější varianta, takzvané organické solární články. Na jejich vývoji se podílejí vědci z Ústavu makromolekulární chemie Akademie věd ČR.
Pavel Baroch
21. 1. 2025
Dají se vyrobit bez toxických rozpouštědel, neobsahují těžké kovy a ještě mají výrazně nižší výrobní náklady než klasické fotovoltaické panely. To jsou hlavní výhody organických solárních článků, které společně vyvinul tým vědců z Ústavu makromolekulární chemie Akademie věd ČR a z Linköpingské univerzity ve Švédsku. Jde o ekologičtější alternativu k tradičním křemíkovým panelům, jejichž výroba je stále poměrně energeticky náročná nebo se při ní používají zmiňovaná rozpouštědla.
Dalším přínosem nového materiálu je rovněž jeho nižší hmotnost, takže se dají použít i v místech, kde dosavadní fotovoltaické panely nejsou vhodné – například jako průhledné fólie na okna nebo ve formě střešní krytiny, kde by se jednotlivé články mohly snadno zaklapnout do sebe podobně jako tašky na střeše. Účinnost organických článků převyšuje 20 procent, takže i z tohoto pohledu je konkurenceschopná s tradičními panely, i když účinnost nejmodernějších článků překračuje pětadvacet procent.
Vědci k výrobě organických článků použili revoluční přístup využívající polymery a funkční organické materiály. „Jde o složité vícesložkové systémy obsahující polymerní složku a malé organické molekuly, které vzájemně interagují, čímž pomáhají k přenosu náboje,“ sdělil Libor Kobera z oddělení Strukturní analýzy Ústavu makromolekulární chemie. Tamní tým přispívá ke spolupráci strukturní analýzou pomocí spektroskopie nukleární magnetické rezonance (NMR).
„Naším úkolem je odhalit, jakou má zkoumaný materiál strukturu a jak jsou jednotlivé složky vzájemně uspořádány. Následně se snažíme nalézt vztah mezi strukturou a vlastnostmi těchto materiálů,“ vysvětlil Jiří Brus, vedoucí oddělení strukturní analýzy. Výsledky výzkumu publikoval časopis Nature Energy.
Dlouholetá spolupráce
Laboratoř NMR spektroskopie úspěšně spolupracuje s týmem profesora Feng Gao z Linköpingské univerzity už více než pět let. Ústředním tématem dlouholetého výzkumu jsou solární články. Tým profesora Gao se zaměřuje na hledání nových materiálů a přístupů, aby se zvýšila účinnost článků a snížila jejich ekologická stopa.
Speciální pozornost je věnována problematice perovskitových materiálů, které mají atraktivní vlastnosti, ale zatím také nedostatky, jako je nízká stabilita a ekologická zátěž kvůli obsahu těžkých kovů. Perovskit je sloučenina oxidu titaničito-vápenatého v krystalické formě.
I tak pokládají vědci perovskitové články rovněž za jeden z materiálů budoucnosti. Na rozdíl od tradičních křemíkových solárních panelů mohou být ty perovskitové flexibilnější, dobře tvarovatelné třeba do podoby tašek na střechách, a také levnější a s výrazně nižší zátěží pro životní prostředí.
„Objev má velký potenciál, dá se předpokládat, že se v dohledné době budou perovskitové solární články s vysokou účinností vyrábět ve větší míře,“ je přesvědčen Libor Kobera z oddělení NMR spektroskopie Ústavu makromolekulární chemie. Vědci se na rozvoj solárních článků na bázi perovskitu soustředí od roku 2000.
Posledních dvanáct let probíhá intenzivní a rozsáhlý výzkum. Vývoj organických solárních článků včetně perovskitových materiálů reaguje na aktuální společenskou poptávku, jako jsou energetická soběstačnost, snížení závislosti na fosilních zdrojích nebo dovozech z Číny.
Vývoj solárního Ferrari
Čeští vědci jsou zapojeni také do evropského projektu PILATUS. Ještě letos by měly vzniknout tři pilotní linky, které pokryjí celý výrobní cyklus inovativních křemíkových solárních panelů. Speciální technologie s kontakty na spodní straně umožní slunečním článkům přeměnu energie vyšší než 26 procent. Právě proto se těmto panelům přezdívá fotovoltaické Ferrari.
Tým, do něhož jsou zapojeni také experti z Fyzikálního ústavu Akademie věd pod vedením Martina Ledinského, hodlají při výrobě nových článků minimalizovat emise oxidu uhličitého. Také proto vznikne linka na pěstování krystalů v Norsku, protože je tam ekologická a levná vodní energie. Další dvě linky budou v Německu – první na výrobu solárních článků, druhá na kompletní fotovoltaické moduly.
Cílem projektu je snížit závislost na Číně, odkud se do Evropy dováží naprostá většina fotovoltaických panelů. „Plánovaná pilotní linka na výrobu fotovoltaických modulů zvýší současnou celkovou kapacitu výroby fotovoltaických článků v Evropě o třicet procent,“ sdělil Ledinský.
Dodal, že roční výrobní kapacita pilotního provozu dosáhne minimálně 17 megawatt-peak. Pokud se projekt ukáže jako životaschopný, bude následovat druhá fáze, tedy výstavba továrny s kapacitou 3 až 5 gigawatt-peak.
Úvodní foto: Pixabay