Solární článek s duální funkčností
Ve výzkumu v materiálovém inženýrství se neustále objevují nové metody pro využívání sluneční energie, ať už pro použití v systémech smart grids, nebo v jiných aplikacích. Výzkumníci vytvořili látku, která kromě transformace sluneční energie na elektrickou je navíc schopna vyzařovat světlo. Tato unikátní vlastnost otevírá možnost kombinovat solární absorpční schopnosti za denního světla a noční svícení v jednom zařízení.
Klíčem k tomuto úkazu, na který se nyní upíná pozornost vědců, je materiál s názvem perovskit, jež by mohl časem nahradit tradiční křemík používaný v klasických fotovoltaických systémech. Vědci ze singapurské Technické univerzity v Nanyangu (Nanyang Technological University - NTU) V článcích publikovaných v časopisech Science a Nature Materials přinesli informace, v nichž vysvětlují základní fotofyzikální mechanismy perovskitových struktur. Unikátní vlastnosti těchto materiálů umožňují vyvíjet lehké, pružné plastové solární články pomocí levných postupů, aniž by byla obětována dobrá konverze sluneční účinnosti.
Vyrábí energii a svítí
Perovskit, neboli oxid titaničito-vápenatý (CaTiO3), je minerál, objevený v Uralském pohoří, který dostal název podle Lva Alexejeviče Perovského (ruský mineralog a archeolog, 1792–1856). Podle vědců je unikátní zejména v tom, že je velice odolný, stabilní a jeho použití vyžaduje až 5krát menší náklady na výrobu, než současné křemíkové panely.
A zatímco ještě před několika roky byla účinnost panelů z tohoto materiálu při přeměně světla na elektřinu necelá 4 %, výzkumníkům se ji podařilo až zpětinásobit, a pokud se podaří pokračovat dále podobným tempem, solární články využívající perovskit překonají i nejefektivnější fotovoltatické křemíkové panely.
Na projektu pracují výzkumníci ze švýcarského Federálního technologického institutu v Lausanne (EPFL), singapurské NTU a britské Cambridgeské univerzity, kteří představili novou generaci solárních článků - kromě klasického převodu světla na elektrickou energii s efektivitou kolem 20 až 25 % totiž umí tento proces fungovat také reverzně - tedy svítit. Pomocí organicko-anorganických hybridních perovskitových materiálů vytvořili prototyp levnějších a efektivnějších solárních článků. Příští generace solárních článků by podle nich mohla díky jednoduššímu výrobnímu procesu být až 5krát levnější než současné tenkovrstvé solární články založené na křemíku.
Výzkumníci zabývající se rozvojem těchto technologií uvádějí, že by mohly vést k solárním panelům, které dokážou vyrábět energii s náklady jen 10 až 20 centů za watt, zatímco běžné současné fotovoltaické články vykazují hodnoty zhruba 75 centů na watt vyrobené elektřiny. Americké ministerstvo energetiky (US Department of Energy) přitom považuje hodnotu 50 centů za watt za milník, který umožní solární energii soutěžit s fosilními palivy.
Denní světlo připravuje noční osvětlení
Sum Tze Chien, fyzik NTU a postgraduální výzkumník Xing Guichuan spolupracují s dalšími vědci na vývoji solární buňky založené na perovskitech. Vytvořit multifunkční zařízení nebyl původní záměr, vědce ale zaujaly luminiscenční schopnosti perovskitu. Zatímco typické solární látky jsou vnímavé ke slunečním paprskům, ale nejsou schopny samy vyzařovat žádné světlo, sloučeniny perovskitu po zasažení laserem zářivě svítí - inženýrům z Cambridge se podařilo při ozařování tohoto materiálu laserem dosáhnout zpětného vyzáření světla až o 70% intenzitě. Tato unikátní vlastnost umožňuje zkombinovat absorpční schopnosti i noční luminiscenční systém v jednom zařízení.
„Ke studiu perovskitových materiálů využíváme ultrarychlých laserů. Sledovali jsme, jak rychle tyto materiály reagují na světlo - v kvadriliontinách sekundy (zhruba 100 miliardkrát rychleji než blesk fotoaparátu), a zjistili jsme, že v materiálech mohou elektrony generované v materiálu slunečním zářením cestovat poměrně daleko. To nám umožní vyvíjet silnější solární buňky, které pohlcují více světla a tím generují více elektřiny, " uvedl profesor Sum Tze Chien, expert na fotofyziku z NTU.
Materiál je navíc nejen levný, ale i chromaticky nastavitelný - změnou složení látky v hybridní lze dosáhnout vyzařování rozmanitého spektra barev. „Správným skládáním materiálu můžeme také ovlivnit barvu světla, které následně články vydávají,“ řekl profesor Xing Guichuan, jeden z členů výzkumného týmu.
Perovskitový materiál zkoušený výzkumníky může být také schopen vyzařovat laserový paprsek, poháněný elektřinou, píší autoři v abstraktu studie s tím, že tato možnost vychází ze schopnosti substance převést kladné a záporné náboje.
Vysoká účinnost perovskitových solárních článků při přeměně slunečního světla na elektrickou energii je řadí do přímé konkurence s tenkovrstevnými solárními články, které jsou již na trhu a mají účinnost okolo 20 %. Nové poznatky o tom, jak tyto solární články pracují je nyní aplikována Energetickým výzkumným ústavem a NTU, které ve spolupráci s australskou hi-tech firmou Dyesol vyvíjí komerční prototyp perovskitových solárních článků.
Za dva roky stejná účinnost, jako křemík za desetiletí
Perovskitové materiály pro solární články byly poprvé použity v roce 2009, a i když tehdejší aplikace vykazovaly relativně nízkou účinnost, během pouhého roku a půl se podařilo zvýšit jejich efektivitu až na 16 % - a dosáhnout tak prakticky stejné funkčnosti, jaké se podařilo u křemíku až za celá desetiletí. I proto zařadil časopis Science perovskitové solární články mezi nejvýznamnější objevy roku 2013.
Perovskitové struktury, což je třída sloučenin, které mají stejný typ krystalové struktury jako CaTiO3 - zjišťují řadu aplikací v oblasti energetiky. Vědci z MIT nedávno použili novou rodinu těchto materiálů, označovaných jako tzv. dvojité perovskity, k dosažení zatím nejlepšího výkonu v reakci zvané kyslíková evoluce, což je klíčový požadavek pro skladování a dodávky energie, systémů jako jsou pokročilé palivové články a lithium - vzduchové baterie.
Podle některých prognóz by účinnost perovskitových článků mohla dosáhnout 50 %, a jejich náklady by během 10 let měly klesnout hluboko pod křemíkovou konkurenci. Vědci poukazují rovněž na to, že je žádoucí, aby se prosadila tato technologie spíše než tenkovrstevné křemíkové články, a díky tomu, že jsou částečně průhledné, mohou najít uplatnění i jako materiály pro okna či střechy.
543
