Proud z fólií – aneb minielektrárna nalepená třeba na kabelce

Solární články z flexibilního plastu mohou revolucionalizovat energetiku. S nanočásticemi dokáží být solární články levnější a efektivnější. Na mobilních telefonech, na kabelkách nebo na domovních fasádách nalepené fólie mohou jako minielektrárny mnohem efektivněji přeměňovat sluneční světlo na elektrický proud. Prozatím je jejich životnost a účinnost ještě příliš malá. Ale s přispěním nanotechnologií chtějí výzkumní pracovníci z Bayer MaterialScience a Bayer Technology Services zvládnout výzvy a přispět k ochraně klimatu. Solární články a kapesní počítače se dokáží o sebe navzájem postarat. Modré třpytivé pole o velikosti poštovní známky z levného amorfního křemíku spolehlivě zajistí dostatek proudu pro aritmetickou jednotku a pomáhá zabránit chybám při řešení domácích úkolů i při práci ve školní třídě. A poněvadž potmě nikdo matematické úkoly neřeší, přístroj se jednoduše vypojí přesunutím ochranného víčka. Kapesní kalkulátory se solárními články se vyrábějí v milionových sériích, nabídka laptopů nebo mobilních telefonů se solárním provozem dosud nepřekročila úroveň prototypů. Důvodem je, že většina přenosných elektrických přístrojů spotřebuje více proudu než jsou schopny dodávat solární články vhodné velikosti. A kromě toho značně zdražují přístroje. Další překážkou je také, že jsou tuhé a křehké, protože jsou vyrobeny z křemíkových plátků nebo jako tenkovrstvé články na skleněném nosiči a nedají se proto vložit do soudobých konstrukčních řešení. To se může již brzo změnit. Řešením je „organická fotovoltaika“, energie získávaná ze slunečního světla pomocí plastových solárních článků. Již od roku 1980 je známo, že určité plasty mohou přeměňovat světlo na proud. A protože jsou takové hmoty pružné, dají se aplikovat nalepením na různých předmětech, oknech nebo fasádách. Mohou produkovat proud tam, kde je potřebný, zcela bez náročného vyhledávání zásuvky nebo síťového adaptoru. Zatímco články z monokrystalického křemíku mohou převádět přes 20 % sluneční energie, vytváří dobré solární fólie v laboratorních podmínkách jen 5 až 6 % energie. Kromě toho ochabuje účinnost této fólie znatelně už po několika měsících. Přesto mnoho světových podniků zavětřilo miliardový trh. Také německé Spolkové ministerstvo školství a výzkumu podpořilo potenciál organických fotovoltaických článků 60 miliony eur v příštích třech letech. Projekt odstartoval v září 2008 na tři roky. V daném projektu plní Bayer funkci koordinátora mnoha partnerů. U společnosti Bayer Material- Science existuje divize funkčních filmů v polymerní elektronice. Jedním z horkých kandidátů na nosný materiál organických solárních článků je polykarbonát. Předmětem zkoumání je také nanášení tenkých vrstev, např. tlakovou metodou. Organické solární články mají sendvičovou konstrukci. Skládají se z většího počtu tenkých vrstev (silných jen několik desítek namometrů), které mají většinou pouze pasivní funkci. Obsahují světlocitlivé vrstvy, ochranné vrstvy před kyslíkem ze vzduchu a vrstvy garantující vysokou pružnost jsou implementovány do sendvičové konstrukce solárních článků. Úspěch organické fotovoltaiky stojí a padá se světelně citlivou vrstvou. Ta musí sluneční světlo co nejefektivněji přeměňovat na nosiče kladného a záporného náboje a tyto beze ztrát odvádět sítí jemných nanostruktur. Podoba nejlepší konstrukce pro efektivní články je předmětem současného výzkumu. Bayer podporuje nový druh technologie solárních článků s anorganickými nanočásticemi, tzv. kvantovými body, a postupuje tak jinou cestou než většina podniků. Je tomu tak hlavně proto, že jiné firmy tento proces nezvládají. Bayer dokonce dokáže cíleně řídit strukturu nanočástic. Ta sestává ze sítě polovodivé umělé hmoty, ve které jsou rozptýlené jemné nanočástice. Rozhodující je, že nanočástice nejsou nekontrolovatelně rozptýleny (nevytváří nekontrolované shluky), ale vytváří síť. Tak mohou oba komponenty sloužit jako drenáž pro pozitivní a negativní nosiče nábojů. Kontaktní plochy mezi anorganickými kvantovými body a polovodivým plastem, kde se uskutečňuje přeměna světla na elektrickou energii, musí být co největší. Americký start-up podnik Konarka rozvířil už dnes celý svět tím, že vystačí bez proudových kabelů. Přesto ani v laboratoři vytvořené solární články Američanů nemají účinnost vyšší než 6 %. V roce 2000 obdrželi dva Američané Alan Heeger a Alan MacDiarmid a Japonec Hideki Shirakawa Nobelovu cenu za chemii. Oba Američané za vývoj vodivých plastů a Japonec za aplikace svítících diod v zobrazovacích jednotkách. Výrobu vodivých plastů realizovala trojice poprvé s polyacetylenem. Výzkumníci napařovali plast jodovým plynem. Její elektrická vodivost pak byla několik milionkrát větší. Ploché zdroje solárního proudu Přeměna světla na elektřinu se odehrává na hranici mezi dvěma polovodivými materiály. U organické fotovoltaiky jsou tyto mezní plochy velké jen několik nanometrů, ale jsou rozhodující pro efektivnost článků. Materiály pro tuto zónu musí být nejen mimořádně čisté, ale záleží také na jejich geometrickém uspořádání. Nanostruktury zajišťují extrémní rozšíření mezní plochy a zvyšují efektivnost o více než jeden řád. Ve fotovoltaické vrstvě hybridních solárních článků jsou polovodičové nanočástice uspořádány tak, že jsou v přímém kontaktu a tvoří elektrickou cestu k vnější kovové elektrodě. Meziprostor je vyplněn polovodivým plastem. Dopadá-li světlo na strukturu vytváří se krátkodobě volné pozitivní a negativní náboje. Nachází-li se mezní plocha v blízkosti páru nábojů, oddělí se vytvořené náboje. Záporný náboj potom protéká nanočásticemi ke kovové elektrodě, kladný náboj putuje plastem k transparentní vodivé čelní elektrodě. 2011: méně než 1 euro za 1 watt špičkového výkonu Cílený design materiálu a výrobní metoda jsou velkou výzvou výzkumným pracovníkům. Vše je v počátcích, stále zůstává velké riziko. Bayer se opírá o činnost kooperujících partnerů. Q-Cells a start-up podniku Soluxx zabývajících se především průmyslovým zpracováním. Dalšími partnery jsou university Kolín a Wuppertal, Institut pro technologii v Karlsruhe a Fraunhoferův institut pro solární energetické systémy. Konečným výsledkem prací mohou být různě silné solární fólie pro různé účely využití. Ambiciozními milníky jsou: 7 až 8% účinnost, tříletá životnost a cena 1 euro na 1 watt špičkového výkonu. Mělo by se toho dosáhnout během tří let. Jen tak mají organické solární články šanci proniknout na lukrativní trhy. První aplikace se očekávají v roce 2013, se širším využitím se počítá od roku 2015. /an/