Revoluce začala před deseti lety. Fotovoltaiku čeká velká průhledná změna

Branibor nad Havolou ve spolkové zemi Braniborsko za tisíc let své historie zažil a viděl mnohé. Do barvité historie města, které po druhé světové války skončilo ve sféře sovětského vlivu, by mohla nyní zajímavou kapitolu vepsat společnost, která nese název jiného starobylého města: Oxford PV.

Jak napovídá název, jde o spin-off vzniklý na půdě Oxfordské univerzity, který od roku 2012 pracuje na komercializaci nového typu solárních panelů, tzv. perovskitových článků. Jejich nasazení by mělo umožnit nadále udržet trend postupného zlevňování těchto panelů. V poslední dekádě ceny velkých pozemních solárních parků klesly zhruba o 80 procent, viz například tato analýzu. Se stávajícím technologiemi bude další zlevňování velmi obtížné. Mimochodem, pro instalace na střechách byl pokles ceny za stejné období podstatně mírnější, v celosvětovém měřítku zhruba o polovinu. 

Oxford PV sice původně vznikla v roce 2010 pro zkoumání jiného typů článků,  dnes je ovšem jedničkou výzkumu perovskitů. Vlastní v této oblasti více patentů než kterákoliv jiná firma v oboru. Dá se tedy předpokládat, že cestu k dalšímu zlevňování by mohly vyšlapat právě články, které v posledních měsících vznikají na linkách v Braniboru. Jde o první prototypy nové generace tzv. kombinovaných článků. Spojují klasický křemíkový článek s tenkým článkem ze zatím v praxi nepoužívaném perovskitu (psali jsme o něm poprvé před necelými šesti lety).

Perovskit Perovskit je obecný název pro skupinu látek, které mají krystalovou strukturu stejnou jako CaTiO3, tedy oxid titaničito-vápenatý. V článcích se však používá z chemického hlediska úplně jiná látka. Obecný vzorec skupiny používaných látek je ABX3. A a B jsou dva kationty (tj. kladně nabité ionty) a X je aniont, který atomy A a B pojí dohromady. První perovskit byl popsán v roce 1839, látka nese jméno podle ruského učence a diplomata Lva Alexejeviče Perovského.

Malé „čtverce“ o rozměrech zhruba 15x15 centimetrů, z nichž se pak skládají panely na střechu či pozemní konstrukci, na pohled vypadají stejně jako běžné křemíkové panely. Jediný rozdíl je v tom, že ze stejné plochy vyrobí výrazně více elektřiny.

Lepší náhražka

Souvisí to do jisté míry z tím, že křemík pro fotovoltaické panely není zcela ideální. Dnes víme o materiálech, kterou jsou podobně účinné, žádný z nich však tehdy nebyl průmyslu tak dobře známý a dobře prozkoumaný jako křemík. Výrobci křemíkových panelů se tak mohli opřít o dlouhá léta vědeckých i praktických zkušeností. I díky tomu se velkovýroba mohla těchto panelů rychle rozběhnout, a ceny tedy mohly rychle klesat.

S perovskity je situace odlišná. Jistě, nejsou zrovna materiálovou novinkou; jde o sloučeniny halogenů s kovem (jako první byly popsány sloučeniny s olovem), které lidstvo zná více než 170 let. Ovšem jejich výzkumu se nikdo soustavně nevěnoval a významné praktické využití nemají. Jejich zatím „nejslavnější“ chvíle přišla až v roce 2009.

Japonští vědci spíše jen tak ze zvědavosti vytvořili solární článek, ve kterém perovskit sloužil jako barvivo, tedy materiál, který pohlcuje světlo dopadající na článek. Měl mizernou účinnost, jen 3,5 procenta, a dokonce se vědcům ztrácel pod rukama. V článku totiž museli použít kapalný elektrolyt, který perovskit postupně rozpouštěl. Z laického pohledu hrozný výsledek, z pohledu základního výzkumu naopak stál za další zkoumání.

Už v tu chvíli se totiž nabízela vize velmi levné výroby podobných článků (například sítotiskem, tedy podobně jako se tisknou například nálepky). Perovskitů je celá řada a materiáloví odborníci už v té době tušili, že by mezi nimi mělo být možné najít levné sloučeniny s vhodnými vlastnostmi, které by se daly vyrábět výrazně levněji než „čistý“ křemík.

Skutečný technologický zázrak přišel v posledních několika letech. V srpnu roku 2012 vytvořil tým ze švýcarského Lausanne články s perovskitem s účinnosti necelých 10 procent. V červenci roku 2013 pak rekord posunuli na 15 procent.

V té době vystoupil do popředí „perovsktitové scény“ jistý Henry Snaith z Oxfordské univerzity, budoucí spoluzakladatel firmy Oxford PV. Snaith představil v časopise Science první perovskitový článek, který nepotřebuje kapalný elektrolyt. Články obsahující kapalinu jsou totiž velmi nepraktické, na slunci by mohly například velmi snadno praskat.

Snaith do výzkumu nastoupil s velkým nadšením. Již před lety veřejně prohlásil, že podle něj nebude v brzké době problém s pomocí perovskitů postavit články s účinností zhruba 20 až 25 procent. Nemyslel tím články čistě perovsktitové, ale články s několika vrstvami „vyladěnými“ pro co nejlepší absorpci různých částí slunečního spektra, které by mohly umožnit rychlé zvýšení účinnosti.

O krok navíc

Oxford PV se údajně nakonec rozhodlo, že právě tudy vede nejjednodušší cesta. Na vytvoření článku s dnes jinak extrémně drahou dosažitelnou účinnosti kolem 30 procent stačí pouze zkombinovat běžný křemíkový článek s účinností kolem 20 procent a perovskitový článek s účinností něco nad 15 procent. Není tedy zapotřebí „špičkově vyladěný“ perovskit, jehož vývoj by si vyžádal hodně času.

I když tedy perovskity zatím křemík v účinnosti nedohnaly, spojení sil obou materiálů zřejmě funguje. Oxford PV v listopadu 2018 předvedlo kombinovaný křemíkovo-perovsktivoý článek s naměřenou účinností 28 procent (což mimochodem znamená, že samotný perovskitový článek zřejmě má účinnost ani ne 15 procent, a ještě spíše nějakých 11-12 procent). Dnes běžně dostupné křemíkové panely mají účinnost maximálně do 20 procent. Kombinovaný panel by tedy měl za stejné plochy vyrobit zhruba o třetinu více energie. Zároveň s tím by měla klesnout cena za vyrobenou kilowatthodinu.

Dopadající světlo nejprve projde jednou vrstvou perovskitového materiálu, který dobře pohlcuje především světlo kratších vlnových délek, tedy směrem k modré části spektra. Naopak křemíkový článek je účinnější při absorpci světla větších vlnových délek. Obě vrstvy se tak dobře doplňují. A do budoucna by mělo být možné vrstvy dále přidávat, a zvýšit účinnost snad až ke 40 procentům, doufají výzkumníci (a to nejen ti z Oxford PV).

Otázku samozřejmě je, kolik za výkon navíc připlatíme. Společnost také tvrdí, že již má vyvinutý výrobní proces, během kterého přidání perovskitu představuje pouze jeden krok navíc v rámci výroby samotného křemíkového článku. Cílem samozřejmě je, aby cena za vyšší účinnost byla dostatečně nízká.

Bohužel v tuto chvíli nevíme, jak to ve skutečnosti s cenou panelů bude. Cenově konkurovat velkým výrobcům je pro malou firmu prakticky nemožné, a tak Oxford PV zvolila jinou cestu a chce svou technologii pouze licencovat. Linka v Braniboru slouží jen pro vývoj, k výrobě prototypů a jako demonstrační zařízení pro případné zákazníky. Články určené přímo pro zákazníky se na ní vyrábět nebudou.

I proto jsou detaily obestřené tajemstvím. Podle vyjádření firmy pro server IEE Spectrum by v roce 2019 měly proběhnout první velké praktické zkoušky tandemových článků pod širým nebem a společnost spolupracuje s (minimálně) jedním nejmenovaným velký výrobcem na možném zavedení do perovskitu do výroby.

A nerozpustí se?

Pokud budete i tak o světlé budoucnosti perovskitů pochybovat, nebudete jediní. I mnozí odborníci stále poukazují na to, že pro fotovoltaiku vhodné látky z této skupiny byly velmi nestabilní. Někdy dokonce tak, že se je po výrobě nepodařilo ani řádně změřit, jak rychle degradovaly. Jiné se rozkládají už na světle, což je pro fotovoltaický materiál nepříjemný handicap. Řada odborníků byla a stále je poměrně skeptická ohledně komercializace perovskitových článků.

Ovšem Oxford PV a další „zastánci“ technologie tvrdí, že se problémy s trvanlivostí zveličují a dnes už je situace jiná. Perovskity jsou velmi široká skupina látek, mezi kterými lze nalézt sloučeniny s vhodnými vlastnostmi, tedy jak účinností, tak stabilitou.

Články také údajně prošly běžnými mezinárodními testy odolnosti a trvanlivosti (tj. IEC 61215), tedy testy „zrychleného stárnutí“. Automaticky to však neznamená, že by v běžných podmínkách měly fungovat zhruba stejně dlouho jako křemíkové panely, od kterých se dnes očekává životnost zhruba 25 let. Minimálně roky by však fungovat měly. 

Firmě s oxfordským rodokmenem se ovšem evidentně nepodařilo vyřešit jiný problém, a to obsah jedovatých látek v článku, konkrétně olova. Není ho mnoho (údajně zhruba 0,3 gramu na metr čtvereční), ale i když si těžko představit, že v takovém množství by mohly panely způsobit nějakou ekologickou katastrofu, z legislativního hlediska (a tedy i z pohledu uživatele) by mohlo jít o problém především při vyřazování panelů z provozu.

Kolik stačíme vytisknout?

Tandemové články pro Oxford PV představovaly „plán B“. Původně chtěla firma přijít s průhlednými perovskitovými články například do oken či na fasády budov. Nakonec ovšem dospěla k názoru, že to by si vyžádalo pět až deset let vývoje navíc a tedy i podstatě vyšší investici do začátku, zvolila tedy bezpečnější a méně náročnou variantu.

Ne všichni s nimi souhlasí, na čistě perovskitové články sází několik menších i větších společností z oboru, například čínské Wonder Solar a Microquanta Semiconductor, ale i Saule Technologies ze sousedního Polska. V první fázi by se řada z nich chtěla soustředit na produkty pro zvláštní použití, především průhledné články do oken. Polská firma, která prodala výhradní licenci firmě Skanska, už dokonce provedla pilotní projekt na fasádě kancelářské budovy ve Varšavě. Do konce roku by měla spustit podobnou prototypovou linku, jakou má Oxford PV v Braniboru a v roce 2021 by údajně už první panely na trhu.

Samozřejmě i pak bude pro čistě perovskitové články nejspíše problematické dohánět ohromnou výhodu křemíku v instalované výrobní kapacitě. Investoři a zastánci perovskitu ovšem tvrdí, že jejich kůň by díky unikátním vlastnostem mohl náskok dohnat poměrně rychle. 

Samozřejmě, stále jde o odhady a úspěch není zaručen. Na konci roku se například ocitla v nucené správě rakouská společnost Greatcell Solar, která měla téměř stejně tak „dlouhou“ tradici jako Oxford PV. 

Problémy se získáním komerčních partnerů, údajná byrokratizace procesu získávání státních výzkumných projektů v poslední době také nešťastná smrt vedoucího šéfa výzkumu v Alpách v listopadu loňského roku ji nakonec dovedly k bankrotu.

Nikdo z nás se nebude divit, když i jiné slibně rozjeté společnosti jako Oxford PV potká podobný osud. Ale zatím se jeví stále pravděpodobnější, že perovskity tu s námi zůstanou, i když budou pouhým okem prakticky neviditelné.