Po dlouhých letech vývoje některé společnosti doufají, že prorazí s technologií levných, tištěných fotovoltaických článků.
Pro solární panely to není typické umístění; jedná se obvykle o ploché, tuhé obdélníky z křemíku a skla rozmístěné na střechách nebo v solárních parcích. Ovšem panely v marburském zařízení jsou ultratenké organické fólie vyrobené německou solární společností Heliatek.
V posledních několika letech společnost Heliatek namontovala své flexibilní panely na boky kancelářských věží, zakřivené střechy autobusových zastávek, a dokonce i na tubus 80 metrů vysoké větrné elektrárny.
Heliatek totiž hledá nové trhy, kde mu tradiční výroby fotovoltaiky nebudou stačit. „Existuje obrovský trh, kde klasická fotovoltaika nefunguje,“ řekl časopisu Science Jan Birnstock, technický ředitel společnosti.
Uhlíkové tajemství
Tajemstvím Heliateku jsou panely z organických sloučenin. Jsou desetkrát lehčí než křemíkové panely a její výroba stojí v některých případech jen polovinu. Některé z nich jsou dokonce průhledné, takže architekti si představují solární panely nejen na střechách, ale i na fasádách budov, v oknech, a dokonce i ve vnitřních prostorách. Technologie je ovšem i po desetiletích vývoje nezralá, a výrobců je pomálu.
Jedním problémem je nižší účinnost. Například panely Heliateku přeměňují přibližně 9 % energie slunečního záření na elektřinu. V posledních letech však výzkumníci po celém světě přišli s novými materiály a konstrukcemi, které v malých, laboratorně vyrobených prototypech dosahují účinnosti téměř 20 %, čímž se blíží křemíkovým a alternativním anorganickým tenkovrstvým solárním článkům, jako jsou například články vyrobené ze směsi mědi, india, galia a selenu (CIGS).
Prostor pro zlepšování se zdá být obrovský. Na rozdíl od křemíkových krystalů a CIGS, kde jsou výzkumníci většinou omezeni na několik málo chemických možností, které jim příroda dává, u organických panelů lze mnohem více experimentovat. Vědci mohou upravovat vazby, měnit uspořádání atomů a míchat prvky z celé periodické tabulky.
Podle některých se v poslední době ovšem podařilo přijít s „recepty“, které slibují zajímavé možností – a možná se tak konečně blíží chvíle, kdy organické články prorazí na výsluní. „Právě teď je v oblasti organické fotovoltaiky opravdu vzrušující doba, protože tento obor udělal obrovský skok ve výkonu, stabilitě a nákladech,“ řekl Science Bryon Larson z americké Národní laboratoře pro obnovitelnou energii.
Konvenční fotovoltaické panely, v drtivé většině křemíkové, v současné době vyrábí zhruba 3 % veškeré elektřiny. V mnoha ohledech jde o nejrychleji rostoucí energetický zdroj současnosti. Nový roční instalovaný výkon se pohybuje kolem 200 gigawattů. Díky desetiletím technických vylepšení a globálnímu dodavatelskému řetězci cena solární energie také stále klesá a tento trend má ještě pokračovat. Těžko to ovšem bude takovým tempem jako doposud, protože od 70. let cena klesla o 99 procent.
Solární energie a další zelené zdroje energie však nerostou zdaleka tak rychle, aby pokryly rostoucí poptávku po elektřině. Vzhledem k celosvětovému hospodářskému rozvoji, růstu populace a očekávanému přechodu velké části světových osobních a nákladních automobilů z ropy na elektřinu se očekává, že se světová poptávka po elektřině do roku 2050 zdvojnásobí.
Podle nejnovějších odhadů Mezinárodní energetické agentury musí země k dosažení kýžené uhlíkové neutrality do roku 2050 instalovat obnovitelné zdroje čtyřikrát rychleji než v současnosti. Svět si tedy žádá nové zdroje obnovitelné energie, a to rychle.
Organika může pomoci, i když ani její zastánci si nemyslí, že ve všech ohledech. Průkopníci se spíše domnívají, že pomůže nastartovat vlnu nových aplikací a dostat fotovoltaiku tam, kde křemíkové panely fungovat nebudou.
Slibný rozjezd a příchod konkurence
Obor se zrodil v 1986, kdy odborníci na plastové fólie ve společnosti Eastman Kodak Company vyrobili první organický článek. Účinnost přeměny světla na elektřinu: 1 %. Počátkem roku 2000 se však díky hraní si s chemickými knoflíky podařilo zvýšit účinnost „organiky“ na přibližně 5 %, což stačilo několika společnostem k tomu, aby se je pokusily komerčně využít. Doufaly, že díky „roll-to-roll“ tisku panelů, budou dostatečně levné, aby vykompenzovaly své nedostatky. Verdikt trhu byl ovšem jasné – organická fotovoltaika neprospěla.
Část obtíží při zvyšování účinnosti organické fotovoltaiky, a to před 30 lety jako nyní, spočívá v tom, že fungují jinak než články vyrobené z anorganických materiálů (jako je křemík). V organických článcích nedochází tak snadno k rozdělení elektronu a tzv. díry po dopadu fotonu slunečního záření.
Dochází ke vzniku vázaných dvojic, které dohromady tvoří tzv. exciton. Pro výrobu elektřiny je ovšem nutné, aby se excitony rozdělily na kladné a záporné náboje, které mohou putovat k příslušným elektrodám.
K okamžiku oddělení dochází, když se excitony narazí na rozhraní mezi dvěma polovodičovými součástmi, tzv. donorním a akceptorovým materiálem. Akceptor přitahuje elektrony a donor přitahuje díry, čímž se exciton oddělí. Musí k tomu dojít rychle: Pokud se excitovaný elektron a díra náhodou spojí dříve, než se dostanou na toto rozhraní, energie se ztratí v podobě (nežádoucího) tepla.
V průběhu desetiletí se výzkumníci snažili zlepšovat výsledky organických článků vylepšováním donorů a akceptorů. V polovině roku 2000 se podařilo zvýšit účinnost nad 5 %, a to především začleněním fullerenů, tedy uhlíkových sloučenin ve tvaru míčů. Hlad fullerenů po elektronech z nich dělá výkonné akceptory. Pak se pozornost soustředily na donory. Do roku 2012 se díky použití nových polovodičových polymerů v této roli podařilo zvýšit účinnost organických panelů na 12 %.
Obor ovšem v té době začal mít namále. Na scéně objevila konkurenční tenkovrstvá solární technologie: perovskity. Perovskity jsou směsi organických a anorganických sloučenin, které jsou levné na výrobu, snadno se zpracovávají a skvěle zachycují sluneční světlo a přeměňují ho na elektřinu.
Účinnost perovskitů prudce vzrostla z přibližně 6,5 % v roce 2012 na přibližně 24 % v roce 2020. Grantové agentury zapomněly na organické panely a výzkumníci se vrhli na horkou novinku.
Do jisté míry to stále platí. Ovšem perovskity mají stále potíže s doražením dlouhodobé stability a využívají toxických prvků. A tak nadšení trochu opadlo – a naopak v oboru organických článku se objevila řada zajímavých inovací.
Procento pro procentu
V roce 2015 vědci pod vedením Xiaowei Zhana, materiálového vědce z Pekingské univerzity, ohlásili první z nové třídy nefullerenových akceptorů (NFA), které absorbují fotony výrazné lépe než fullereny.
Na molekulární úrovni vypadala Zhanova nová sloučenina, nazvaná ITIC, jako prodloužený olympijský symbol s dalšími kruhy a dobře zvládala obě úlohy, nejprve pohlcovala červené a infračervené světlo a poté transportovala elektrony.
Účinnost organických panelů začala stoupat. V roce 2018 se rekord posunul na 18,4 %. V srpnu letošního roku pak na 19,3 %. Očekává se, že brzy bude dosaženo hranice 20 procent, tedy „na dohled“ od dominantní technologie.
Osvědčenému, levnému a trvanlivému křemíku ovšem organické panely nemohou přímo konkurovat, proto se Heliatek a další snaží o úkrok stranou. Přímé soutěžení s křemíkem znamená na dnešnímu trhu podle znalců jediné: jasnou prohru.
Ale nabízí se zajímavé okrajové niky. Jednou je umísťování tenkovrstvých panelů (ne nutně jen organických, samozřejmě) na stěny budov. Poptávka po panelech Heliatek je však natolik silná, že byť je společnost začala prodávat teprve loni, letos už staví továrnu s plánovanou roční výrobou schopnou vyrábět 2 miliony m2 ročně, tedy zhruba 200 MW.
Švédská společnost Epishine prodává organické články, které fungují v interiéru a mohou nahradit jednorázové baterie ve všem, od teplotních čidel po automatické ovládání osvětlení, také postavila novou velkokapacitní výrobní linku.
Americké startupy Ubiquitous Energy a NextEnergy vyvíjejí okna s organickým články, která primárně zachycují infračervené fotony a zároveň propouštějí viditelné světlo. To jiné panely (alespoň zatím) tak dobře nedokážou. A americký Úřad pro námořní výzkum (ONR) se zaměřuje na využití látek s organickou fotovoltaikou pro stany, batohy a další vybavení vojáků.
Správně vyrobit
Abymohly prakticky uspět, musí organické panely konkurovat účinností í trvanlivostí – a to vyžaduje nejen nové materiály, ale také výrobní postupy. Nejúčinnější zařízení v současnosti existují pouze jako prototypy velikosti poštovní známky.
Teoreticky je přechod z výroby jednoho 1 cm2 na metry čtvereční prosté. Organické látky lze rozpustit v rozpouštědlech a strojově jimi pokrývat velké plochy. Každá vrstva v sendvičovém zařízení však musí být zcela hladká, s minimem nebo vůbec žádnými vadami, které by snižovaly celkovou účinnost.
Ještě náročnější je řídit složení centrální vrstvy sendviče obsahující donory a akceptory. Materiály se deponují v kapalném roztoku. Jak se obsažené rozpouštědlo odpařuje, donory a akceptory se od sebe oddělují do dvou vzájemně se prolínajících vrstev. Rozhraní obou vrstev je rozsáhlé, zároveň ovšem umožňuje kladným i záporným částicím oddělené „cesty“ k elektrodám.
Separátní vrstvy donorů a akceptorů musí být extrémně tenké. Excitony totiž migrovat na vzdálenosti desítek 20 nanometrů, než se náboje rekombinují. Dosáhnout vhodných parametrů při výrobě ve velkém měřítku představuje stále nevyřešenou výzvu.
Je také otázkou, jak dlouho tato složitá vnitřní struktura přetrvá. Může vydržet čtvrt století? Zatím to rozhodně není jisté, a u řady organických článků dochází k rychlejšímu poklesu výkonu než třeba u křemíkových. Působením ultrafialového záření mohou organické látky v článcích degradovat podobně, jako my se spálíme na letním slunci.
V principu ovšem není nic předem ztraceno. V srpnovém vydání časopisu Advanced Materials tým pod vedením Alexe Jena, materiálového vědce z Hongkongské univerzity, informovali o organických solárních článcích s účinností 17 %, které si při testech zrychleného stárnutí zachovaly 90procentní účinnost.
V roce 2021 se zase v časopise Nature Communications objevila studie, jejíž autoři přidali do článku tenké vrstvy oxidu zinečnatého, tedy stejného materiálu, který je obsažen v některých opalovacích krémech k pohlcování UV záření. V textech zrychleného stárnutí to vedlo ke zvýšení jejich životnosti až na 30 let.
Ani stopa po uhlíku…
V jednom ohledu mají OPV již nyní jasnou výhodu: mají nápadně nízkou uhlíkovou stopu. Při hodnocení panelů společnosti Heliatek německý zkušební institut TÜV Rheinland dospěl k závěru, že na každou kWh elektřiny, kterou panely společnosti vyrobí, se při jejich výrobě, provozu a případné likvidaci uvolní nejvýše 15 gramů CO2.
Stejný zdroj pro výrobu křemíkových panelů udává hodnotu 49 g CO2/kWh (pro při těžbě a spalování uhlí 1000 g CO2/kWh. I přes nízkou účinnost panely společnosti Heliatek za dobu své životnosti vyprodukují stokrát více energie, která je potřeba k jejich výrobě, instalaci a likvidaci.
Uhlíková stopa organických článků, potažmo panelů, se bude jistě dále snižovat s tím, jak bude jejich účinnost stále překonávat rekordy, životnost se bude prodlužovat a výrobní metody se budou zdokonalovat. Je tedy opravdu možné, že solární panely už nenajdeme jen na polích či střechách, ale také na zakřivených fasádách výškových budov, oknech po celém světě a prakticky všude jinde, kde lidé potřebují elektřinu.
