Heliatek hledá nové trhy pro ultratenké organické solární fólie, které by měly být schopné zastoupit fotovoltaické panely všude tam, kde instalace tradičních panelů není možná nebo neposkytuje optimální podmínky. „Existuje obrovský trh, kde klasická fotovoltaika nefunguje,“ řekl časopisu Science Jan Birnstock, technický ředitel společnosti.
V listopadu 2021, kdy městská společnost v německém Marburgu prováděla plánovanou údržbu zásobníku teplé vody, přilepili technici na vnější stranu hlavní 10 m vysoké válcové nádrže 18 solárních panelů v podobě ultratenkých organických fólií vyrobených německou solární společností Heliatek. V posledních několika letech namontovala tako společnost své flexibilní panely na boky kancelářských věží, zakřivené střechy autobusových zastávek, a dokonce i na tubus 80 m vysoké větrné elektrárny.
UHLÍKOVÉ TAJEMSTVÍ
Základem panelů Heliateku, které jsou 10× lehčí než křemíkové, jsou organické sloučeny, jejichž výroba stojí v některých případech jen polovinu. Některé z nich jsou dokonce průhledné, takže architekti mohou s takovými solárními panely počítat nejen na střechách, ale i na fasádách budov, v oknech, a dokonce i ve vnitřních prostorách. Technologie je ovšem i po desetiletích vývoje nezralá.
Jedním z problémů je nižší účinnost. Např. panely Heliateku přeměňují na elektřinu jen přibližně 9 % energie slunečního záření. V posledních letech však výzkumníci po celém světě přicházejí s novými materiály a konstrukcemi, které v malých, laboratorně vyrobených prototypech dosahují účinnosti až 20 %, čímž se blíží křemíkovým a alternativním anorganickým tenkovrstvým solárním článkům, jako jsou například články vyrobené ze směsi mědi, india, galia a selenu (CIGS).
Prostor pro zlepšování se zdá být obrovský. Na rozdíl od křemíkových krystalů a CIGS, kde jsou výzkumníci většinou omezeni na několik málo chemických možností, které jim příroda dává, u organických panelů lze mnohem více experimentovat. Vědci mohou upravovat vazby, měnit uspořádání atomů a míchat prvky z celé periodické tabulky.
Podle některých se v poslední době ovšem podařilo přijít s „recepty“, které slibují zajímavé možnosti — a možná se tak konečně blíží chvíle, kdy organické články prorazí na výsluní. „Právě teď je v oblasti organické fotovoltaiky opravdu vzrušující doba, protože tento obor udělal obrovský skok ve výkonu, stabilitě a nákladech,“ řekl Science Bryon Larson z americké Národní laboratoře pro obnovitelnou energii.
Konvenční fotovoltaické panely, v drtivé většině křemíkové, v současné době vyrábějí zhruba 3 % veškeré elektřiny. V mnoha ohledech jde o nejrychleji rostoucí energetický zdroj současnosti. Nový roční instalovaný výkon se pohybuje kolem 200 GW. Díky desetiletím technických vylepšení a globálnímu dodavatelskému řetězci cena solární energie stále klesá a tento trend má ještě pokračovat. Těžko to ovšem bude takovým tempem jako doposud, protože od 70. let cena klesla o 99 %.
Solární energie a další zelené zdroje energie ovšem nerostou zdaleka tak rychle, aby pokryly rostoucí poptávku po elektřině. Vzhledem k celosvětovému hospodářskému rozvoji, růstu populace a očekávanému přechodu velké části světových osobních a nákladních automobilů z ropy na elektřinu se očekává, že se světová poptávka po elektřině do roku 2050 zdvojnásobí.
Podle nejnovějších odhadů Mezinárodní energetické agentury musí země k dosažení kýžené uhlíkové neutrality do roku 2050 instalovat obnovitelné zdroje čtyřikrát rychleji než v současnosti. Svět si tedy žádá nové zdroje obnovitelné energie, a to rychle.
Organika může pomoci, i když ani její zastánci si nemyslí, že ve všech ohledech. Průkopníci se spíše domnívají, že pomůže nastartovat vlnu nových aplikací a dostat fotovoltaiku tam, kde křemíkové panely fungovat nebudou.
Fasáda závodu společnosti Samsung v Koreji pokrytá články společnosti Heliatek © Heliatek
PROCENTO PO PROCENTU
Obor se zrodil v roce 1986, kdy odborníci na plastové fólie ve společnosti Eastman Kodak Company vyrobili první organický článek s 1% účinností přeměny světla na elektřinu. Počátkem roku 2000 se podařilo zvýšit účinnost organiky na přibližně 5 %, což stačilo několika společnostem k tomu, aby se je pokusily komerčně využít. Doufaly, že díky „roll-to-roll“ tisku panelů budou dostatečně levné, aby vykompenzovaly své nedostatky. Verdikt trhu byl ovšem jasný: organická fotovoltaika neuspěla.
Část obtíží při zvyšování účinnosti organické fotovoltaiky před 30 lety stejně jako nyní spočívá v tom, že fungují jinak než články vyrobené z anorganických materiálů (např. křemík). V organických článcích nedochází tak snadno k rozdělení elektronu a tzv. díry po dopadu fotonu slunečního záření.
Dochází tam ke vzniku vázaných dvojic, které dohromady tvoří tzv. exciton. Pro výrobu elektřiny je ovšem nutné, aby se excitony rozdělily na kladné a záporné náboje, které mohou putovat k příslušným elektrodám. K okamžiku oddělení dochází, když excitony narazí na rozhraní mezi dvěma polovodičovými součástmi, tzv. donorním a akceptorovým materiálem. Akceptor přitahuje elektrony, zatímco donor díry, čímž se exciton rozdělí. Pokud se však excitovaný elektron a díra náhodou spojí dříve, než se dostanou na zmíněné rozhraní, energie se ztratí v podobě (nežádoucího) tepla.
V průběhu desetiletí se výzkumníci snažili při vylepšování organických článků zaměřit na donory a akceptory. V polovině roku 2000 se podařilo zvýšit účinnost nad 5 %, a to především začleněním fullerenů, tedy uhlíkových sloučenin ve tvaru míčů. Hlad fullerenů po elektronech z nich dělá výkonné akceptory. Pak se pozornost soustředila na donory. Do roku 2012 se díky použití nových polovodičových polymerů v této roli podařilo zvýšit účinnost organických panelů na 12 %.
Obor ovšem v té době začal mít namále. Na scéně objevila konkurenční tenkovrstvá solární technologie: perovskity. Perovskity jsou směsi organických a anorganických sloučenin, které jsou levné na výrobu, snadno se zpracovávají a skvěle zachycují sluneční světlo a přeměňují ho na elektřinu.
Účinnost perovskitů prudce vzrostla z přibližně 6,5 % v roce 2012 na přibližně 24 % v roce 2020. Grantové agentury zapomněly na organické panely a výzkumníci se vrhli na horkou novinku.
Do jisté míry to stále platí. Ovšem perovskity mají stále potíže s doražením dlouhodobé stability a využívají toxických prvků. Nadšení tak opět trochu opadlo, ale v oboru organických článků se objevila řada jiných zajímavých inovací.
V roce 2015 tým pod vedením Siao-wej Čana, materiálového vědce z Pekingské univerzity, ohlásil první z nové třídy nefullerenových akceptorů (NFA) absorbující fotony výrazně lépe než fullereny. Na molekulární úrovni vypadala Čanova nová sloučenina, nazvaná ITIC, jako prodloužený olympijský symbol s dalšími kruhy a dobře zvládala obě úlohy, nejprve pohlcovala červené a infračervené světlo a poté transportovala elektrony.
Účinnost organických panelů začala stoupat. V roce 2018 se rekord posunul na 18,4 %. V srpnu letošního roku pak na 19,3 %. Očekává se, že brzy bude dosaženo hranice 20 %, tedy „na dohled“ od dominantní technologie.
Články společnosti Heliatek na zásobníku s teplou vodou v Magdeburgu © Stadtwerke Marburg
NÁSTUP DO PRAXE, ZROZENÍ KONKURENCE
Osvědčenému, levnému a trvanlivému křemíku v praxi organické panely zatím nemohou přímo konkurovat, proto se Heliatek a další snaží o úkrok stranou. Přímé soutěžení s křemíkem by na dnešnímu trhu podle znalců znamenalo jen jasnou prohru.
Nabízí se ale zajímavé okrajové niky. Jednou je právě umísťování tenkovrstvých panelů (ne nutně jen organických, samozřejmě) na stěny budov. Poptávka po panelech Heliatek je v této oblasti natolik silná, že byť je společnost začala prodávat teprve loni, letos už staví továrnu s plánovanou roční výrobou schopnou vyrábět 2 miliony m2 ročně, tedy zhruba 200 MW.
To švédská společnost Epishine prodává organické články fungující i v interiéru. Mohou tak nahradit jednorázové baterie teplotních čidel či automatického ovládání osvětlení. Tato společnost už svou novou velkokapacitní výrobní linku dokonce postavila.
Americké startupy Ubiquitous Energy a NextEnergy vyvíjejí okna s organickými články, která primárně zachycují infračervené fotony a zároveň propouštějí viditelné světlo. To jiné panely (alespoň zatím) tak dobře nedokážou. A americký Úřad pro námořní výzkum (ONR) se zaměřuje na využití látek s organickou fotovoltaikou pro stany, batohy a další vybavení vojáků.
SPRÁVNĚ VYROBIT
Aby mohly prakticky uspět, musí organické panely konkurovat nejen účinností, ale i trvanlivostí. To vyžaduje nové materiály i výrobní postupy. Nejúčinnější zařízení v současnosti existují pouze jako prototypy velikosti poštovní známky.
Teoreticky je přechod z výroby 1 cm2 na čtvereční metry prostý. Organické látky lze rozpustit v rozpouštědlech a strojově jimi pokrývat velké plochy. Každá vrstva v sendvičovém zařízení však musí být zcela hladká, s minimem vad (nebo zcela bez nich), které by snižovaly celkovou účinnost.
Ještě náročnější je řídit složení centrální vrstvy sendviče obsahující donory a akceptory. Materiály se deponují v kapalném roztoku. Jak se obsažené rozpouštědlo odpařuje, donory a akceptory se od sebe oddělují do dvou vzájemně se prolínajících vrstev. Rozhraní obou vrstev je rozsáhlé, zároveň ovšem umožňuje kladným i záporným částicím odděleně putovat k elektrodám.
Separátní vrstvy donorů a akceptorů musí být extrémně tenké, excitony musí migrovat na vzdálenosti 20 nm, než se náboje rekombinují. Dosáhnout vhodných parametrů při výrobě ve velkém měřítku představuje stále nedořešenou výzvu.
Je také otázkou, jak dlouho tato složitá vnitřní struktura přetrvá. Zvládne vydržet alespoň čtvrt století? Zatím to rozhodně není jisté, u řady organických článků totiž dochází k rychlejšímu poklesu výkonu než třeba u křemíkových. Působením ultrafialového záření mohou organické látky v článcích degradovat podobně jako naše kůže spalovaná na letním slunci.
V principu ovšem není nic předem ztraceno. V srpnovém vydání časopisu Advanced Materials tým pod vedením Alexe Jena, materiálového vědce z Hongkongské univerzity, informoval o organických solárních článcích s účinností 17 %, které si při testech zrychleného stárnutí zachovaly 90% účinnost.
V roce 2021 se v časopise Nature Communications objevila studie, jejíž autoři přidali do článku tenké vrstvy oxidu zinečnatého, tedy stejného materiálu, který je obsažen v některých opalovacích krémech k pohlcování UV záření. V testech zrychleného stárnutí to vedlo ke zvýšení jejich životnosti až na 30 let.
ANI STOPA PO UHLÍKU…
V jednom ohledu mají OPV již nyní jasnou výhodu — mají nápadně nízkou uhlíkovou stopu. Při hodnocení panelů společnosti Heliatek německý zkušební institut TÜV Rheinland dospěl k závěru, že na každou kWh elektřiny, kterou panely společnosti vyrobí, se při jejich výrobě, provozu a případné likvidaci uvolní nejvýše 15 g CO2.
Stejný zdroj pro výrobu křemíkových panelů udává hodnotu 49 g CO2/kWh (při těžbě a spalování uhlí je to 1 000 g CO2/kWh). I přes nízkou účinnost navíc panely společnosti Heliatek za dobu své životnosti vyprodukují 100× více energie, než je potřeba k jejich výrobě, instalaci a likvidaci.
Uhlíková stopa organických článků, potažmo panelů, se bude jistě dále snižovat s tím, jak bude jejich účinnost stále překonávat rekordy, životnost se bude prodlužovat a výrobní metody se budou zdokonalovat. Je tedy opravdu možné, že solární panely už nenajdeme jen na polích či střechách, ale také na zakřivených fasádách výškových budov, oknech po celém světě a prakticky všude jinde, kde lidé potřebují elektřinu.