Vďaka výskumnej činnosti austrálskych a japonských vedcov máme na dosah významný moment v oblasti výroby solárnych článkov z perovskitu a zberu solárnej energie pomocou neviditeľného svetla.

Čistá a obnoviteľná energia je v posledných rokoch predmetom širokej škály štúdií, a to hlavne v oblasti solárnej energie. Nedávno boli totižto publikované štúdie v žurnáloch Nature Energy a Nature Photonics, na ktoré upozornili aj weby ako The Independent či Business Insider, prinášajúce prelomové objavy v oblasti efektivity zberu solárnej energie a výroby solárnych článkov.

Prehliadali sme prvky, ktoré sú kľúčom k veľkému úspechu

Prvý z výskumov vedený vedcami z austrálskej univerzity UNSW v Sydney a americkej Univerzity v Kentucky sa zaoberal konverziou solárnej energie. Výskumníci zistili, že nízkoenergetické svetlo v spektre neviditeľnom pre ľudské oko môže byť konvertované pomocou kyslíka na výrobu elektriny. To by znamenalo, že pri tom istom množstve dopadajúceho svetla by bolo možné vyrobiť ešte viac energie.

Zatiaľ čo efektívnosť tejto technológie je ešte stále veľmi nízka a na dosiahnutie komercializácie je potrebné vykonať oveľa viac práce, výskum je v tomto smere veľmi vzrušujúci, uviedol hlavný autor štúdie, profesor Tim Schmidt z univerzity UNSW. Ďalej vysvetľuje, že energia zo Slnka sa dá získať „nielen z viditeľného svetla.“

„Spektrum je široké, vrátane infračerveného svetla, ktoré nám dodáva teplo a ultrafialového žiarenia, ktoré môže spáliť našu pokožku. Väčšina solárnych článkov, nábojovo-viazaných zariadení (CCD) ako kamery a fotodiódy (polovodiče, ktoré prevádzajú svetlo na elektrický prúd), sú vyrobené z kremíka, ktorý nedokáže reagovať na nízkoenergetické svetlo blízke infračervenému žiareniu. To znamená, že niektoré zo súčasných zariadení a technológií nevyužívajú isté časti svetelného spektra,“ dodal Prof. Schmidt

K zvýšeniu efektivity bol využitý kyslík

Aby bolo možné zvýšiť citlivosť týchto zariadení a potencionálne zvýšiť účinnosť solárnych článkov, jednou zo stratégií je „konvertovanie svetla“, respektíve premena nízkoenergetického svetla na viditeľnejšie svetlo vykazujúce vyššiu energiu, ktoré môže kremík excitovať. „Jedným zo spôsobov, ako sa to dá dosiahnuť, je zachytiť niekoľko menších energetických fotónov svetla a zlepiť ich dokopy,“ uviedol Prof. Schmidt.

Takýto jav dosiahneme interakciou excitónov – viazaných stavov elektrónov a dier elektrónov, ktoré môžu prenášať energiu bez prenosu čistého elektrického náboja do organických molekúl. Až doteraz to nebolo možné, no vedci vyriešili problém použitím kyslíka. Konkrétne použili Quantum Dot polovodiče na absorbovanie nízkoenergetického svetla a molekulárny kyslík k premene svetla na organické molekuly.

Solárne články z perovskitu zaznamenali významný posun

Ďalšiu prelomovú štúdiu majú na svedomí vedci z inštitútu OIST univerzity v Okinawe, ktorí vytvorili solárne moduly budúcej generácie s vysokou účinnosťou a dobrou stabilitou. Nejde však o klasické solárne články vyrobené z kremíka, ale články využívajúce materiál známy ako perovskit, ktorý má potenciál priniesť revolúciu v priemysle solárnych technológií.

Zobraziť celú galériu (3)

Perovskit v prírodnej forme nájdený v Arkansase, USA. Zdroj: Wikipedia

Články z perovskitu sú flexibilné a ľahké, pričom sľubujú väčšiu univerzálnosť ako ťažké a pevné články postavené na báze kremíka, ktoré v súčasnosti dominujú na trhu. Predtým ale, ako môže byť perovskit v solárnych článkoch komercializovaný, musia vedci prekonať niektoré veľké prekážky.

 „Existujú tri podmienky, ktoré musia perovskity spĺňať: musia byť lacné na výrobu, byť vysoko efektívne a mať dlhú životnosť,“ uviedol profesor Yabing Qi, vedúci inštitútu OIST.

Náklady na výrobu solárnych článkov z perovskitu sú nízke, nakoľko ide o lacné suroviny, ktoré nevyžadujú na spracovanie veľa energie. Navyše za niečo viac ako desať rokov vedci urobili obrovský pokrok v zlepšovaní toho, ako efektívne prevádzajú perovskitové články slnečné svetlo na elektrickú energiu, pričom úroveň účinnosti je teraz porovnateľná s úrovňou článkov na báze kremíka.

Zobraziť celú galériu (3)

Solárny článok zložený z perovskitu a kremíka. Zdroj: Eike Köhnen/HZB. KTU

Avšak akonáhle sú perovskitové články škálované do väčších solárnych modulov, ich účinnosť začne prudko klesať. Ide tak o podstatný problém, nakoľko komerčná sféra si vyžaduje vysokú účinnosť článkov, ktoré sú dlhé aj niekoľko metrov. Ďalším problémom perovskitu je fakt, že je nestabilný a každá chyba vo výrobnom procese vedie k zníženiu jeho účinnosti. Komerčné solárne články si zároveň vyžadujú dlhoročné fungovanie, no perovskit je známy tým, že rýchlo degraduje.

Revolučný spôsob vrstvenia perovskitu

Vedci však vyriešili problémy týkajúce sa stability perovskitu tým, že ho naskladali do viacerých vrstiev, pričom každá z vrstiev má svoju špecifickú funkciu. Aktívna perovskitová vrstva, ktorá absorbuje slnečné svetlo, leží v strede článku, vložená medzi ostatné vrstvy. Keď fotóny svetla dopadnú na perovskitovú vrstvu, záporne nabité elektróny využijú energiu a „preskočia“ na vyššiu úroveň energie, pričom zanechajú pozvoľne nabité „diery“.

Zobraziť celú galériu (3)

Obrázok zobrazujúci štruktúru vrstveného perovskitu. Solárne články a moduly z perovskitu sa skladajú z mnohých vrstiev, z ktorých každá má špecifickú funkciu. Vedci pridali alebo upravili vrstvy zvýraznené oranžovou farbou. Zdroj: OIST

Ich náboje sa potom presmerujú opačným smerom do elektrónových a dierovitých transportných vrstiev nad a pod aktívnou vrstvou, čím sa vytvára tok náboja, respektíve elektriny, ktorá môže opustiť solárny článok cez elektródy. Zariadenie je tiež zapuzdrené ochrannou vrstvou, ktorá znižuje degradáciu a zabraňuje úniku toxických chemikálií do životného prostredia.

Zobraziť celú galériu (3)

Solárne moduly rôznych veľkostí. Výskumníci z OIST pracovali s článkom zobrazeným napravo, ktorého rozmery činili približne 5 x 5 cm. Zdroj: OIST

Výsledkom tohto prístupu a ďalších úprav vytvorili solárny modul merajúci 22,4 cm²  a dosahujúci účinnosť 16,6 %. Hoci sa zdá byť táto účinnosť nízka, pri takto veľkom perovskitovom module ide o významný úspech. Pri testoch bol navyše tento perovskytový modul schopný zachovať si 86 % svojho výkonu a účinnosti aj po 2000 hodinovom nepretržitom používaní. Vedci sa tak teraz zameriavajú na vylepšenie procesov výroby a na prenesenie svojich modifikácií na ešte väčšie moduly.