Čeští vědci pomohli vylepšit materiál perovskit, který odstartuje revoluci v solární energetice tím, že účinnost panelu dostali na nevídaných pětadvacet procent. Nyní, místo mohutných křemíkových solárních panelů, budeme schopni efektivně využívat střešní tašky potažené tenkou a ohebnou vrstvou, nebo průhledné fólie na prosklených budovách a na oknech. Právě tak by časem měla vypadat výrobna elektřiny ze slunce.

Umožní to materiál s téměř zázračnými vlastnostmi – PEROVSKIT. Je velmi tenký, dobře tvarovatelný a navíc takové fotovoltaické panely budou i levnější a šetrnější k životnímu prostředí než dnes používané křemíkové. První firmy už rozjíždějí výrobu solárních článků s perovskitem a řada výzkumníků se vrhla na jejich zdokonalování. Účinnost a životnost jim teď vylepšil mezinárodní tým, jehož součástí jsou i čeští vědci. V srpnu o jejich úspěchu informoval časopis Science.

Co je to vlastně PEROVSKIT?

Minerál perovskit byl objeven na Urale v roce 1839. Tuto sloučeninu oxidu titaničito‑vápenatého v krystalické formě našel německý chemik Gustav Rose, popsal ji a pojmenoval podle ruského mineraloga a diplomata Lva Alexejeviče Perovského. Jak se později ukázalo, uměle se dá vytvořit celá řada sloučenin označovaných perovskity. Mají podobnou krystalickou strukturu jako původní minerál, ale mohou se skládat z různých prvků. A právě sloučeniny halogenů s kovy se osvědčily ve fotovoltaice.

První solární článek s perovskitem vytvořil v roce 2009 japonský tým vedený Cutomem Mijasakou. Profesor chemie na univerzitě v Jokohamě založil firmu Peccell Technologies k vývoji solárních článků. Jednou spíše náhodou s kolegy využil perovskit jako barvivo. Ukázalo se, že nový materiál pomáhá vyrábět elektřinu. Ačkoliv měl solární článek účinnost jen necelá čtyři procenta a byl velmi nestabilní, takže se v podstatě samovolně rozpouštěl, znamenal experiment velký průlom.

Následně Michael Grätzel s kolegy z federálního technologického institutu ve švýcarském Lausanne vytvořil v roce 2012 už stabilní články s perovskitem a s účinností necelých 10 procent. V té době si velký úspěch připsal Henry Snaith z Oxfordské univerzity. Ukázal, že určité perovskity nemusí fotovoltaický článek jen vylepšovat, ale mohou samy plně obstarat přeměnu světla na elektrickou energii. O Snaithovi se začalo spekulovat jako o možném laureátovi Nobelovy ceny za chemii a na vývoj lepších perovskitových panelů se zaměřila řada výzkumných týmů. Díky tomu dnes účinnost nových typů článků přesahuje 20 procent a je srovnatelná s tradičními křemíkovými panely.

O další zvýšení účinnosti se nyní postaral mezinárodní tým vedený profesorem Fengem Gao z univerzity v Linköpingu. „Solární články s perovskitem se dají ztenčit a dobře tvarovat, takže nebudou tak zatěžovat konstrukce domů,“ upozorňuje na jednu z výhod Libor Kobera z Ústavu makromolekulární chemie Akademie věd ČR, který se s kolegy Jiřím Brusem a Rafalem Konefalem na výzkumu podílel. Nová skupina vyzkoušela během dvou let různá vylepšení perovskitového soláru. „Kolegové ve Švédsku vždy vymysleli, jak článek upravit. My jsme jim říkali, touhle cestou ne, tudy ano,“ popisuje spolupráci Kobera. Poštou do Prahy cestovaly vzorky a český tým pomocí zobrazovací metody zvané nukleární magnetická rezonance hledal zákonitosti a vztahy mezi dynamikou molekul, strukturou hmoty a jejími vlastnostmi. Článek se skládá z více vrstev a ta nejméně efektivní brzdí výkon zařízení. V laboratorních podmínkách se v minulosti podařilo vytvořit perovskitovou vrstvu s účinností 28 procent. Ta svrchní, vystavená slunečním paprskům, dešti nebo třeba sněžení, se ale nepřehoupla přes 20.

Tým v Linköpingu se zaměřil právě na ni, obohatil ji organickou lithnou solí a uspěl. „Podařilo se nám zvýšit účinnost svrchní vrstvy zhruba na 25 procent,“ říká Kobera. A taková by mohla být i výsledná účinnost celého článku. Protože organická lithná sůl funguje i při relativně nízké koncentraci, je oproti předchozím „přísadám“ šetrnější k životnímu prostředí. „Klasické křemíkové solární panely je potřeba dopovat řadou různých toxických kovů,“ popisuje Kobera.

Dalším přínosem práce mezinárodního týmu je prodloužená životnost panelu. Mezi dosud používanými příměsemi docházelo k nežádoucím chemickým reakcím. „Rapidně snižovaly životnost článku,“ líčí Kobera.

A významnou předností je cena: podle odhadů by mohla být o třetinu až polovinu nižší než u panelů na aktuálním trhu.

Stlačit ji může výroba ve velkém, vzrostla by naopak, kdyby se při rozjezdu produkce objevily neočekávané obtíže. Do výroby perovskitových článků se už pustilo několik firem. Výše zmíněný profesor Snaith založil už v roce 2010 společnost Oxford PV. Postupně získala investice ve výši 100 milionů dolarů a po dlouhém výzkumu chce letos rozjet i výrobu. U města Branibor nad Havolou nedaleko Berlína, v továrně původně určené k výrobě křemíkových panelů, s nimi chce Snaith své články kombinovat. 

Loni spustila výrobu perovskitových panelů ve Vratislavi polská Saule Technologies. 

Saule Technologies využívá k produkci solárních panelů vlastní neotřelou metodu inkoustového tisku, vynalezenou zakladatelkou společnosti, Olgou Malinkiewiczovou, která umožňuje vyrábět panely při nízké teplotě. Malinkiewiczová vyvinula tento proces již v roce 2013 a získala za něj mnoho mezinárodních ocenění. Fotovoltaické panely s tenkým perovskitovým filmem jsou lehké, flexibilní a hodí se k instalaci prakticky na jakýkoliv povrch.

Ve firmě metodu dále vylepšila a prototypy testuje například na prosklených stěnách kancelářské budovy firmy Skanska ve Varšavě. Soustřeďuje se právě na průhledné nebo poloprůhledné panely. Nový solární článek má několik vrstev a ta nejméně efektivní brzdí účinnost. 

Dle vyjádření společnosti poptávka vždy překročí výrobní kapacitu, která je dle prvních odhadů 40 000 metrů čtverečních za rok. „Již nyní jsme plně vytíženi,“ dodává Malinkiewiczová. „Při pohledu na všechny fotovoltaické systémy používané v Evropě zjistíme, že až 96 % celkového objemu se vyrábí mimo kontinent. Naším cílem, stejně jako záměrem Evropské unie, je vyrábět solární panely v našem regionu.“