Zlaté kuličky pro fotovoltaiku. Nová metoda dokáže vytěžit více ze slunce

Problém: solární panely mrhají většinou energie ze slunce

Slunce každou sekundu zásobuje Zemi obrovským množstvím energie — výrazně více, než celé lidstvo ve stejný okamžik spotřebuje. Přesto běžné fotovoltaické panely z tohoto záření využijí jen zlomek.

Nejlepší komerčně dostupné monokrystalické křemíkové panely dosahují účinnosti přibližně 20–22 %. Jinými slovy, z veškeré energie dopadající na střešní modul se ve skutečnosti přemění na elektřinu jen každý pátý joule. Zbytek se rozplyne jako odražené světlo nebo zbytečné teplo.

Nejde o chybu konkrétního výrobce — jde o fyzikální hranici, kterou vědci znají jako Shockleyho-Queisserův limit. Křemík dokáže efektivně zpracovat jen úzký výsek slunečního spektra. Vlny jiných délek materiálem prostě projdou, odrazí se nebo ohřívají článek místo toho, aby produkovaly elektrony.

Zlaté nanočástice a jejich neobvyklý vztah ke světlu

Vědci experimentují se zlatem v nanoměřítku již od počátku tohoto tisíciletí. Na takové úrovni se totiž zlato chová zcela jinak než klasický kov ve zlatém prutu. Klíčovým jevem je tzv. lokální povrchová plazmonová rezonance (LSPR).

Když záření dopadne na zlatou nanočástici, elektronový „oblak" na jejím povrchu začne vibrovat takovou frekvencí, že částice světlo nejen odráží, ale velmi účinně pohlcuje. Funguje trochu jako miniaturní anténa naladěná na konkrétní vlnovou délku.

Jenže je tu háček: každá jednotlivá nanočástice reaguje převážně na úzký rozsah barev, který závisí na její velikosti. Jedna „slyší" nejlépe blízkou infračervenou oblast, jiná zase zelené nebo červené světlo. Osamocená částice je tedy skvělý absorber — ale jen pro malý výsek slunečního spektra.

Vědci roky hledají způsob, jak vytvořit strukturu, která jediným „tahem" zachytí co největší část využitelného slunečního záření, nikoli jen jeho výsek.

Supraballs – zlaté kuličky složené z mnoha nanočástic

Tým z Korea University se rozhodl tuto slabinu obrátit v přednost. Místo práce s jednotlivými nanočásticemi jedné velikosti vědci spojili mnoho částic různých rozměrů do jedné větší koule. Tak vznikly struktury, jimž dali název „supraballs".

Myšlenka je přímočará: každá nanočástice v takové kuličce má jinou velikost, a tedy se „ladí" na jinou vlnovou délku. Výsledkem je, že celá kulička dokáže pohlcovat světlo v širokém rozsahu spektra — od kratších vlnových délek až po blízkou infračervenou oblast.

Navíc mají tyto struktury jednu zásadní výhodu: vznikají samy od sebe. Za správných chemických podmínek se zlaté nanočástice samovolně uspořádají do kuliček, aniž by bylo potřeba složité montážní vybavení nebo litografie.

Jak to funguje v praxi

• Nejprve se připraví roztok obsahující zlaté nanočástice různých velikostí.
• Poté se kontrolují podmínky — například koncentrace a teplota — aby se vyvolala jejich samoorganizace.
• Částice se slepí do stabilních, vícekomponentních kuliček, tedy supraballs.
• Výslednou „polévku" s kuličkami lze nanést jako barvu na povrch zařízení.

Simulace: teoreticky více než 90 % absorpce

Než vědci přistoupili k experimentům, sáhli po pokročilých numerických simulacích. Cílem bylo zjistit, jaký průměr by zlaté kuličky měly mít, jak rozložit velikosti složených nanočástic a jak hustě je uspořádat, aby absorpce byla co nejvyšší.

Počítačové modely naznačily, že dobře navržené supraballs jsou schopné pohltit více než 90 % energie v využitelném rozsahu slunečního spektra. To je úroveň, o které mohou klasické struktury z jednotlivých nanočástic jen snít.

Laboratorní test: téměř dvojnásobné množství pohlcené energie

Po sérii simulací přišel čas na experiment. Vědci nezačínali rovnou s fotovoltaickým panelem, ale s komerčně dostupným termoelektrickým generátorem — zařízením, které přeměňuje teplotní rozdíl na elektrickou energii.

Na jeho povrch nanesli kapalinu obsahující supraballs. Po vyschnutí vznikl tenký zlatý povlak. Poté bylo celé zařízení osvětleno v kontrolovaných podmínkách speciálním LED simulátorem napodobujícím sluneční spektrum.

S tímto povlakem zařízení pohltilo přibližně 89 % dopadajícího záření. Stejný generátor pokrytý klasickým filmem ze zlatých nanočástic zachytil jen přibližně 45 % energie.

Rozdíl je tedy pozoruhodný, přinejmenším v laboratoři. Hovoříme o téměř dvojnásobné absorpci dosažené pouhou změnou struktury týchž surovin — bez vynalézání exotických nebo vzácných materiálů.

Dostanou se zlaté kuličky na střechy domů?

Zní to jako recept na revoluci ve fotovoltaice — sami autoři výzkumu však vášně ochlazují. Neslibují, že technologie brzy zvýší účinnost panelů z 20 % na 40 %, ani že za chvíli koupíme moduly se supraballs v nejbližším obchodě.

Přechod od vědecké publikace k produktu na střeše může trvat roky nebo celá desetiletí. Část technologií nikdy laboratoř neopustí, protože se ukáže jako příliš drahá, příliš složitá na výrobu nebo jednoduše prohraje s konkurencí.

Trh s fotovoltaikou je vyspělý a pevně obsazený velkými hráči. Každé nové řešení musí nejen fungovat lépe, ale také zapadnout do stávajících výrobních linek, být levné, stabilní za deště, mrazu i veder — a zároveň bezpečné pro životní prostředí.

Největší otázky na nejbližší roky

• Zda lze supraballs vyrábět hromadně, opakovatelným způsobem, bez výrazného zdražení modulů.
• Jak takový povlak snese vlhkost, smog, poškrábání a dlouhodobé působení UV záření.
• Zda použití zlata, byť v nanomnožství, nepředstavuje nákladové úzké hrdlo pro velké solární farmy.
• Jakým způsobem tyto struktury integrovat s klasickým křemíkem nebo novými perovskitovými články.

Proč zrovna zlato, a ne levnější kov?

Na první pohled zní myšlenka posílit panely drahým kovem jako vtip. V nanoměřítku je situace jiná. Zlato má výjimečně stabilní chemické vlastnosti, neoxiduje jako stříbro a zachovává velmi výrazný plazmonický efekt.

Důležité je, že množství kovu je zanedbatelné. Hovoříme o ultratenkých vrstvách, pouhým okem neviditelných. Náklady na materiál mohou být v praxi přijatelné, pokud panely díky tomu dodají výrazně více energie ze stejné plochy střechy nebo farmy.

Pokud technologie dozraje, dá se teoreticky kombinovat nejen s klasickým křemíkem, ale i s novými generacemi článků — například tandemovými strukturami křemík + perovskit, které již dnes slibují účinnost přesahující 30 %.

Co může tento koncept změnit v praxi

Pro běžného uživatele jsou klíčové především dvě věci: kolik elektřiny lze vyrobit z dostupné plochy a kolik stojí každý dodatečný watt výkonu. Pokud by díky supraballs panely na stejné střeše vyráběly znatelně více energie, investice do fotovoltaiky by se stala výhodnější — bez nutnosti přidávat další čtvereční metry modulů.

Z pohledu elektroenergetických sítí znamená vyšší účinnost při stejné ploše také lepší využití území pro solární farmy a menší tlak na zábor nových pozemků. Každé procento účinnosti navíc se promítá do konkrétních megawattů výkonu ze stejného pozemku.

Stojí také za zmínku, že technologie tohoto typu si často nacházejí vedlejší, nečekané uplatnění. Povlaky s velmi vysokou absorpcí se hodí v přesných senzorech, malých generátorech pro napájení Internetu věcí nebo v nositelných zařízeních sbírajících energii z denního světla po celý den.

Pro ty, kdo sledují vývoj zelené energie, je příklad zlatých kuliček z Koreje dobrým připomenutím, že potenciál fotovoltaiky nekončí výměnou střídače nebo novou sérií modulů. Velká část hry se stále odehrává v čisté fyzice a materiálech — a právě v laboratořích se rozhoduje, jaké technologie se za deset či dvacet let objeví na našich střechách.