Nové rekordy účinnosti solárních článků
Závěr loňského roku přinesl pozoruhodné výsledky ve vývoji fotovoltaiky, které jsou označovány za revoluci v solární energii. Australským výzkumníkům se podařil průlom ve zvýšení účinnosti solárních panelů, který by mohl podle nich časem vést k levnějším zdrojům obnovitelné energie - dokázali přeměnit na elektřinu více než 40 % dopadajícího slunečního světla na panely. A jejich západoevropští kolegové oznámili dokonce dosažení až 46 % účinnosti v konverzi solární energie na elektrickou.
Zatímco klasické křemíkové solární panely dokážou přeměnit na elektrickou energii jen necelou pětinu (asi 17 - 18 %) energie ze slunečního záření, které na ně dopadá, dokázali izraelští výzkumníci díky použití organických solárních panelů zvýšit účinnost až na 25 %, a teoretická maximální účinnost konvenčních solárních panelů je uváděna hodnotou 34 %. Nedávno ovšem oznámili vědci další pozoruhodný milník.
Koncentrovaná energie
Nový světový rekord pro přímou přeměnu slunečního záření na elektřinu byl dosažen vícesměrným solárním článkem, vyvinutým Fraunhoferovým institutem pro solární energetické systémy (ISE) v Německém Freiburgu ve spolupráci s francouzskými společnostmi Soitec a CEA-Leti. Článek dokáže vyrábět energii ze slunečního svitu s až 46% účinností. Vícesměrné články se používají v koncentrátorových fotovoltaických (CPV) systémech pro výrobu elektřiny ve fotovoltaických elektrárnách v oblastech s velkým množstvím přímého slunečního svitu. Jde už o druhý světový rekord německo-francouzského výzkumného týmu během krátké doby, následující prakticky rok poté, co obdobný úspěch oznámili v září 2013. Dokládá silnou konkurenceschopnost evropského fotovoltaického výzkumu a průmyslu.
Vícesměrné solární články jsou založeny na výběru 3 - 5 sloučeninových polovodičových materiálů. Světově rekordní článek je čtyřcestný, a každý z jeho dílčích subčlánků převádí přesně čtvrtinu z příchozích fotonů do spektra vlnových délek v rozmezí mezi 300 a 1750 nm na elektřinu. Při aplikaci ve fotovoltaickém koncentrátoru je miniaturní článek použit s Fresnelovou čočkou, která soustřeďuje sluneční světlo na FV články. Nová rekordní účinnost 46 % při 50,8 W/cm2 byla naměřena na koncentraci 508 sluncí (tzn. odpovídá koncentraci 508násobku poměru solárního AM1.5d (ASTM E927-10) spektra) a potvrzena japonským Národním institutem pokročilých průmyslových věd a technologií (AIST - National Institute of Advanced Industrial Science and Technology), jedním z předních center pro nezávislé ověření výsledků výkonnosti fotovoltaických článků za standardních testovacích podmínek.
Speciální problém, který musely tyto články vyřešit, je přesné rozdělení fotonů ze čtyř dílčích subčlánků. To bylo dosaženo přesným vyladěním složení a tloušťky jednotlivých vrstev uvnitř struktury článku. Jocelyne Wasselin, viceprezident vývoje solárních článků firmy Soitec, zaměřené na vysoce výkonné polovodičové materiály říká: „Technologie čtyřcestného solárního článku jasně naznačuje, že v blízké budoucnosti se můžeme přiblížit i 50% účinnosti. K výrobě této nové generace solárních článků máme již nainstalovánu výrobní linku, která používá naše lepení a vrstvy přenosu technologií."
Tajemství extremní efektivity: rozdělené spektrum
Další informace o technologii nabízející rekordní účinnost fotovoltaiky přišla od protinožců. Výzkumníci australské Univerzity Nového Jižního Walesu (UNSW) dokázali přeměnit více než 40 % slunečního záření dopadajícího na solární systém na elektřinu a nastavili tak další světový rekord v solární energetické účinnosti. Světově rekordní efektivity bylo dosaženo ve venkovních testech v Sydney, poté byl systém přepraven do USA, kde jeho výsledky nezávisle potvrdila Státní energetické laboratoř pro obnovitelné zdroje (National Renewable Energy Laboratory - NREL) na svém venkovním zkušebním zařízení v Coloradu. Práce byla financována Australskou agenturou pro obnovitelnou energii (ARENA) a podporována Australsko-americkým Institutem pro pokročilou fotovoltaiku (AUSIAPV). „Použili jsme komerční solární články, ale novým způsobem, takže tato zlepšení účinnosti jsou snadno přístupná solárním průmyslu, uvedl Dr. Mark Keevers, solární vědec z UNSW, který projekt řídil. Jak konstatoval profesor Martin Green, další z výzkumníku UNSW a ředitel australského Centra pro pokročilou fotovoltaiku (ACAP), nové výsledky jsou založeny na použití soustředěného slunečního světla, a jsou zvláště důležité pro fotovoltaické věžové elektrárny (tzv. Solar Towers, či Power Tovers) vyvíjené australskou společností RayGen Resources, která poskytla design a technickou podporu pro prototyp systému o vysoké účinnosti. Dalším partnerem v oblasti výzkumu byla americká společnost Spectrolab, která vyrobila některé solární články použité v projektu. Klíčovou součástí designu prototypu zařízení nazvaného Power Cube je použití vlastního optického pásmového filtru pro zachycení té části slunečního záření, která je za normálních okolností u komerčních solárních článků na věžích odpadní a její převedení na elektrickou energii s vyšší účinností, než jaké kdy solárních články dosáhly. Tyto filtry odrážejí konkrétní určité vlnové délky světla, zatímco ostatní přenášejí. Dosažený milník 40% účinnosti je posledním z dlouhé řady úspěchů solárních výzkumníků UNSW, kteří se této problematice věnují už čtyři desetiletí. Jde o prakticky zdvojnásobení účinnosti jejich prvních solárních článků dosahujících 20% efektivity konverze slunečního svitu na elektrickou energii.
„Doufáme, že tato novinka iniciuje další kroky k prototypům pilotních demonstrátorů, které by vedla k vytvoření účinnějších komerčních solárních elektráren, aby obnovitelné zdroje energie byly levnější, a zvýšila se jejich konkurenceschopnost," uvedl šéf sdružení ARENA Ivor Frischknecht. „Chytré řešení kombinuje pro zvýšení výkonu pokročilé třícestné buňky s levnějšími klasickými křemíkovými články. Světlo, které se za normálních okolností promrhá, je třícestnými buňkami zachyceno pomocí rozdělení příchozího slunečního světla do různých pásem spektra a nasměrováním některých z nich do křemíkového článku. Tento přístup umožňuje dosáhnout vyšší účinnost, než to, co je fyzicky možné se samotným třícestným článkem," popisuje řešení Ivor Frischknecht s tím, že průlomová inovace v reálném světě komerčních aplikací by mohla mít praktický význam pro aplikace koncentrované solární energie u FV věží, kde je sluneční světlo odražené od pole zrcadel sledujících slunce směrováno do centrálního přijímače. „Namísto použití zrcadla na tepelné médium, jako je sůl, převádí high-tech přijímač světlo na elektřinu přímo, jako to dělá solární panel na střeše," dodal.
543
