Čo môže priniesť nová technológia fotovoltických článkov?

Fotovoltické technológie sa neustále vyvíjajú. Klesá obstarávacia cena, čo ekonomicky zvýhodňuje technológiu s vyššou účinnosťou. Stále pritom víťazí kryštalický kremík, ktorý je zároveň najrozšírenejšou technológiou. Zvyšovanie účinnosti má však svoje fyzikálne limity, ktoré možno prekonať napríklad tandemovou technológiou pridaním nového materiálu – hybridného perovskitu.

Pre vedcov je to výzva, pretože zatiaľ je tento materiál nestabilný. Pre bežného užívateľa by však tento pokrok v účinnosti a v technológii mohol znamenať okrem lacnejšej elektriny aj lepšie pokrytie spotreby rodinného domu, a to aj mimo letných mesiacov.

Pred desiatimi rokmi sme boli svedkami začiatku úpadku jednej elegantnej, lacnej a pritom aj pomerne sofistikovanej fotovoltickej technológie, ktorú predstavoval tenkovrstvový amorfný kremík, prípadne jeho kombinácia s tenkovrstvovým mikrokryštalickým kremíkom.

A hoci išlo o najlacnejšiu technológiu, ukázalo sa, že iba pomer ceny a výkonu na úspešnosť technológie fotovoltických modulov nestačí. Účinnosť premeny slnečného žiarenia na elektrickú energiu dosahovala pri technológii tenkovrstvového amorfného kremíka, prípadne pri jeho kombinácii s tenkovrstvovým mikrokryštalickým kremíkom, v najlepšom prípade len 10 % v module.

Dôvodom komerčného neúspechu potom bolo to, že tým, ako sa postupne zlacňovali všetky technológie, prestala byť cena fotovoltických modulov v rámci celého fotovoltického systému dominantnou časťou investície (obr. 1).

Dnes sa preto oplatí siahnuť po produkte s vyššou pridanou hodnotou, čiže s vyššou účinnosťou. Možnože práve táto zmena na trhu odštartovala dnešné preteky vo zvyšovaní účinnosti fotovoltických technológií.

Najmä tie komerčne dostupné technológie, ako sú kryštalický kremík, CIGS a CdTe, nechceli nasledovať osud amorfného kremíka, preto účinnosť všetkých technológií začala vďaka investíciám do vývoja skutočne rásť rýchlejšie ako kedykoľvek predtým [1]. Samozrejme, že vyššia účinnosť v praxi znamená menšiu plochu panelov pri rovnakom výkone, čo je ďalší faktor, ktorý prispieva k snahe zvyšovať účinnosť.

Čo je to hybridný organicko-anorganický perovskit

Fotovoltická komunita žije v tomto čase ešte jedným fenoménom, ktorý súvisí so zvyšovaním účinnosti. Tým je materiál zvaný hybridný organicko-anorganický perovskit.

Kým klasický čisto anorganický perovskit na báze oxidu bol objavený v 19. storočí, hybridný perovskit na báze halogenidov bol opísaný až v roku 1978 a do širšieho povedomia vstúpil dokonca len pred desiatimi rokmi, keď ho prvýkrát použil v solárnych článkoch Japonec Myiasaka.

Tento materiál si získal pozornosť mnohých prestížnych časopisov predovšetkým pre svoju vysokú polovodičovú kvalitu, vďaka ktorej počas desiatich rokov výskumu v laboratóriách prekonal účinnosťou všetky polykryštalické materiály.

Jeho hlavnou výhodou je, že ho možno vyrobiť z roztoku, čo je veľmi nenáročné, a pritom možno dosiahnuť veľmi vysokú polovodičovú kvalitu, a to nielen v jeho objeme, ale prekvapivo aj pri povrchu, čo je mimoriadne pozoruhodné.

Do vývoja veľmi skoro vstúpili aj komerčné firmy, pričom sa objavujú prvé tlačové správy o ich úspechoch, stále však iba v laboratóriách. To, čo zásadne bráni komercionalizácii, je nestabilita tohto materiálu [2].

Organicko-anorganický perovskit je totiž čiastočne tvorený anorganickou mriežkou PbI₃, ktorá je na rozdiel od bežného PbI₂ záporne nabitá. Aby to bolo možné, mriežka tvorí oktaedrické bunky, vo vnútri ktorých sú kladne nabité organické molekuly CH₃NH₃₊ (obr. 2).

Takýto zložitý systém vzniká paradoxne veľmi ľahko, ale zároveň sa, žiaľ, aj ľahko rozpadá. K vyššej stabilite vedie zatiaľ používanie zložitejších kombinácií chemických prvkov, napríklad pridávaním brómu a cézia, použitie inak veľkých organických molekúl, ale aj úprava povrchu, pretože práve na povrchu sa začína každá degradácia materiálu.

Tento materiál sa intenzívne skúma v Centre pokročilej fotovoltiky na Katedre elektrotechnológie Fakulty elektrotechnickej ČVUT v Prahe, kde sa vedcom podarilo dosiahnuť účinnosť 19,1 %. Okrem toho sa v spolupráci s Fyzikálnym ústavom Akadémie vied ČR podarilo objasniť, akú úlohu hrá pri degradácii to, keď sa v materiáli objaví okrem PbI₃ tiež fáza PbI₂, čo býva častý prípad.

Z hľadiska možnej aplikácie je tou najväčšou výhodou možnosť kombinovať tento materiál s dobre známym kryštalickým kremíkom do tzv. tandemu. Kryštalický kremík je totiž, ako je známe, zvládnutá technológia, ktorá dnes tvorí drvivú väčšinu všetkých fotovoltických inštalácií a jej účinnosť sa tiež stále zlepšuje.

Na streche už možno mať bežne modul s účinnosťou 19 % aj vyššou, pričom svetový rekord je 24 % [3]. Na tomto mieste treba ešte objasniť pojem modul a článok. Modul alebo tiež panel predstavuje už hotový produkt, ako ho všetci poznáme.

Najčastejšie má krycie sklo a okrem aktívnych častí aj niektoré neaktívne časti, ako sú medzery medzi článkami, a tiež hliníkový rám. Článok je potom najmenšia súčiastka, ktorá už sama vyrába elektrinu, ale z praktických dôvodov sa spája do modulu.

Obvykle má vyššiu účinnosť – tá sa teraz laboratórne blíži pre kryštalický kremík k 27 %, no už sa viac-menej neočakáva, že by sa mohla ďalej zvyšovať. Technológia sa totiž blíži k svojmu teoretickému maximu, ktoré je 33 % [4] a ktoré možno prakticky prekonať iba technológiou tandemu.

A práve hybridný perovskit je v tejto chvíli jediný technologicky a finančne dostupný materiál, ktorý môže byť v takom tandeme dostatočne silným partnerom kryštalického kremíka.

Preto sa už skoro po objavení hybridných perovskitov začala intenzívne skúmať aj táto kombinácia, pričom akurát nedávno sa v nemeckom HZB dosiahla na článku účinnosť 29 %, ktorá je dôkazom, že vo zvyšovaní účinnosti sa môže skutočne pokračovať [5].

Využitie v praxi alebo Čo môže priniesť vyššia účinnosť?

Keďže projekt Centra pokročilej fotovoltiky sa nezaoberá len technológiou, ale aj jej využitím v praxi, zaujíma nás, aké nové možnosti okrem zníženia ceny môže vyššia účinnosť v praxi priniesť. Základným hľadiskom je, samozrejme, bežný užívateľ, napríklad majiteľ rodinného domu alebo podnikateľ, ktorý nemá možnosť sám s elektrinou obchodovať a ani nevlastní elektrické vedenie.

V takom prípade je jeho prioritou maximálna vyváženosť medzi výrobou elektriny a vlastnou spotrebou, pretože predaj nespotrebovanej elektriny je možný iba za veľmi nízku cenu (zvyčajne 30 halierov, čo je trochu viac ako jeden cent).

Finančný zisk z prevádzky fotovoltického zdroja závisí teda takmer iba od nákladov za ušetrenú elektrinu, ktorú prevádzkovateľ nekúpil od distribútora, ale sám si ju vyrobil pre svoju spotrebu. Ak budem premýšľať konzervatívne, nainštalujem si fotovoltickú elektráreň tak, aby som svojou výrobou nikdy nepresiahol svoju spotrebu.

Samozrejme, závisí to od konkrétnych priebehov dennej spotreby a počasia. Tu potom prichádza k slovu akumulácia energie, v najjednoduchšom prípade aspoň do vody – inými slovami používaním elektrického bojlera na ohrev vody.

To má však ten dôsledok, že musím počítať s cenou elektrickej energie v nízkej tarife, teda na úrovni zhruba 2,50 Kč/10 centov (pohyblivá zložka ceny, priemer z roku 2019). Pretože správne dimenzovanie fotovoltického systému s akumuláciou by inak bola téma na celý článok, predpokladajme aspoň, že chceme pokryť energiu na ohrev vody plus niečo málo navyše, o čom vieme, že v dome odoberá energiu viac-menej stále.

Za tohto predpokladu môžeme urobiť zjednodušenie a brať do úvahy priemerné hodnoty v rámci jedného dňa. Pri spomínanom konzervatívnom prípade nainštalujem fotovoltickú elektráreň tak, aby som počas priemerného letného dňa vyrobil najviac toľko elektriny, koľko som zároveň schopný takto v priemere denne spotrebovať.

Náklady na elektráreň sa pohybujú aj okolo 2,50 Kč (10 centov)/kWh, ale pri získaní dotácie Nová zelená úsporám už iba okolo 1,70 Kč (7 centov)/kWh. Náklady sú vypočítané pri životnosti elektrárne 25 rokov. Z toho už vyplýva, aká výhodná môže byť investícia, veľmi však záleží na budúcom vývoji cien elektriny.

Ak však budem premýšľať progresívnejšie, budem porovnávať svoju priemernú spotrebu s výrobou nie v lete, ale radšej na jar a na jeseň [6]. V dôsledku toho ušetrím viac elektriny mimo letného obdobia, ale v lete budem mať nadbytok, ktorý, žiaľ, finančne nezhodnotím a znamená pre mňa stratu (obr. 3).

Keď budem v uvažovaní pokračovať, rozhodnem sa, že nadbytočnú energiu sa mi neoplatí ani transformovať na striedavé napätie a namiesto výkonnejšej elektrárne si zaobstarám iba výkonnejšie moduly. Náklady na ne sa pohybujú okolo 0,70 Kč (3 centy)/kWh.

Keď potom porovnám zisky vďaka pokrytiu spotreby na dlhšie obdobie a vyššie náklady za výkonnejšie moduly, vyjde mi, že si môžem dovoliť zvýšiť výkon modulov o polovicu. Teda asi tak, ako keby som si namiesto modulov s účinnosťou 20 % kúpil moduly s účinnosťou 30 %. A to by mohli byť práve tie tandemové moduly využívajúce kombináciu kryštalického kremíka s perovskitom.

Výskum bol podporený štrukturálnym fondom EÚ č. CZ.02.1.01/0.0/0.0/15_003/0000464.

Literatúra

1. https://www.nrel.gov/pv/assets/pdfs/best-research-cell-efficiencies.20200203.pdf.
2. https://www.nature.com/articles/ncomms11105.
3. https://www.nedo.go.jp/english/news/AA5en_100133.html.
4. https://oze.tzb-info.cz/fotovoltaika/5517-historie-a-perspektivy-oze-fotovoltaika-mene-rozsirene-technologie.
5. https://www.helmholtz-berlin.de/pubbin/news_seite?nid=21020;sprache=en;seitenid=73236.
6. https://www.sma.de/fileadmin/content/global/specials/documents/oversizing/. Whitepaper Oversizing_EN_180530_01.pdf.

Článok bol uverejnený v časopise TZB Haustechnik 1/2020.