Výzkumníci z Korea University vytvořili miniaturní samoorganizující se struktury ze zlata, které dokáží zachytit téměř celé užitečné spektrum slunečního záření. Pokud technologie obstojí v testech mimo laboratoř, může zásadně proměnit trh s obnovitelnou energií.
Slunce dodává každou sekundu na Zemi kolosální množství energie, výrazně více, než celé lidstvo spotřebuje za stejnou dobu. Přesto standardní fotovoltaické panely z tohoto záření využijí jen zlomek.
V současnosti nejlepší komerčně dostupné panely z monokrystalického křemíku dosahují účinnosti zhruba 20–22 procent. Z celkové energie, kterou modul na střeše domu přijme, se reálně na elektřinu přemění pouze pětina. Zbytek uniká ve formě odraženého světla nebo zbytečného tepla.
Nejde o chybu konkrétního výrobce, ale o fyzikální hranici známou jako Shockleyho-Queisserův limit. Křemík dokáže efektivně zpracovat jen úzký fragment slunečního spektra. Vlny jiných délek materiálem procházejí, odrážejí se nebo článek zahřívají, místo aby dodávaly další elektrony. Výzkumníci již roky hledají způsob, jak tuto bariéru překonat a z každého metru čtverečního panelu získat výrazně více elektřiny.
Jak se zlaté nanočástice chovají jinak než klasický kov
Vědci již od začátku 21. století experimentují se zlatem v nanometrické škále, protože se za těchto podmínek chová odlišně než klasický kov v podobě slitku. Klíčovým jevem je takzvaná lokalizovaná povrchová plazmonová rezonance neboli LSPR.
Když záření dopadne na nanočástici zlata, elektronový oblak na jejím povrchu začne vibrovat v takové frekvenci, že částice nejen odráží, ale velmi účinně pohlcuje světlo. Funguje trochu jako miniaturní anténa naladěná na konkrétní vlnovou délku.
Existuje ovšem jeden problém: každá jednotlivá nanočástice reaguje především na úzký rozsah barev, závislý na její velikosti. Jedna zachycuje lépe blízké infračervené záření, jiná hlavně zelené nebo červené světlo. Osamocená částice je tedy skvělý absorbér, ale pouze pro malý výsek slunečního spektra. Proto výzkumníci z Korejské univerzity hledali způsob, jak vytvořit strukturu zachycující celé užitečné spektrum najednou.
Supraballs spojují desítky nanočástic různých velikostí do jedné koule
Tým z Korea University se rozhodl tuto slabinu obrátit ve výhodu. Místo práce s jednotlivými nanočásticemi jedné velikosti spojili vědci mnoho částic různých rozměrů do jediné větší koule. Tak vznikly struktury, kterým dali název supraballs.
Myšlenka je jednoduchá: každá nanočástice v takové kouli má jiný rozměr, tedy se ladí na jinou vlnovou délku. Díky tomu celá koule dokáže pohlcovat světlo z širokého rozsahu spektra – od kratších vln až po blízké infračervené záření. Další výhodou je, že tyto struktury vznikají samovolně. Za správných chemických podmínek se nanočástice zlata spontánně organizují do kuliček, bez potřeby komplikovaných montážních zařízení nebo litografie.
V praxi to vypadá takto:
- nejprve se vytvoří roztok obsahující nanočástice zlata různých velikostí
- poté se kontrolují podmínky jako koncentrace nebo teplota, aby se vynutila samoorganizace
- částice se slepí do stabilních vícekomponentních koulí, tedy supraballs
- hotovou suspenzi s kuličkami lze nanést jako barvu na povrch zařízení
- vysoká hustota různě velkých částic v jedné kouli zajišťuje pokrytí širokého spektra
- stabilita struktur umožňuje opakovanou aplikaci bez ztráty funkčnosti
Badatelé před experimentálními testy provedli pokročilé numerické simulace. Chtěli ověřit, jaký průměr by měly zlaté kulky mít, jak rozložit velikosti komponentních nanočástic a jak hustě je zabalit, aby se dosáhlo nejvyšší úrovně absorpce. Počítačové modely naznačovaly, že dobře navržené supraballs dokážou pohltit více než 90 procent energie v užitečném rozsahu slunečního spektra. To je již úroveň, o které klasické struktury z jednotlivých nanočástic mohou jen snít.
V laboratoři zachytily zlaté kulky téměř dvojnásobek energie
Po sérii simulací přišel čas na experiment. Výzkumníci nezačínali rovnou u fotovoltaického panelu, ale u komerčně dostupného termoelektrického generátoru – zařízení, které přeměňuje teplotní rozdíl na elektrickou energii.
Na jeho povrch nanesli kapalinu obsahující supraballs. Po vyschnutí vznikla tenká zlatá vrstva. Následně celé zařízení osvětlili v kontrolovaných podmínkách pomocí speciálního LED simulátoru, který napodobuje sluneční spektrum.
S touto vrstvou zařízení pohlcovalo přibližně 89 procent dopadajícího záření. Tentýž generátor pokrytý klasickým filmem z nanočástic zlata zachytil jen asi 45 procent energie. Rozdíl je tedy spektakulární, alespoň v laboratoři. Mluvíme o téměř dvojnásobné absorpci, dosažené změnou struktury stejných surovin, bez vymýšlení exotických vzácných materiálů.
Pro srovnání: tradiční panely z monokrystalického křemíku od výrobců jako Longi Solar nebo JinkoSolar dosahují účinnosti kolem 22 procent. Pokud by zlaté nanokuličky dokázaly podobný skok v absorpci přenést i do reálných podmínek na střechách budov, mohlo by to znamenat revoluci v energetice. Vědci ale zatím zůstávají opatrní a upozorňují na dlouhou cestu od laboratorního prototypu k masové výrobě.
Proč zlaté kulky nemusí být tak drahé, jak to zní
Na první pohled se nápad posilovat panely drahým kovem může zdát jako vtip. V nanometrické škále je situace jiná. Zlato má výjimečně stabilní chemické vlastnosti, neoxiduje se jako stříbro a zachovává velmi výrazný plazmonický efekt.
Co je důležité, množství kovu je zanedbatelné. Mluvíme o ultratenkých vrstvách neviditelných pouhým okem. Náklady na materiál mohou v praxi být přijatelné, pokud díky tomu panely 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 plus perovskity, které již dnes slibují překročení 30procentní účinnosti. Výzkumníci z Národní laboratoře pro obnovitelnou energii v Coloradu nebo z Helmholtzova centra v Berlíně pracují na podobných kombinacích a věří, že budoucnost fotovoltaiky leží právě v hybridních strukturách.
Badatelé také zkoumají, zda by místo zlata nešly použít levnější kovy s podobnými plazmonickými vlastnostmi, například hliník nebo měď. Zatím však žádný z nich nenabízí takovou stabilitu a účinnost jako zlato v nanometrické podobě.
Jaké překážky čekají zlaté kulky na cestě na střechy
Zní to jako recept na revoluci ve fotovoltaice, ale sami autoři studie tlumí emoce. Neslibují, že technologie rychle zvýší účinnost panelů z 20 na 40 procent ani že za chvíli zakoupíš moduly se supraballs v prvním lepším obchodě.
Přechod z fáze vědecké publikace k produktu na střeše může trvat roky nebo celá desetiletí. Část technologií nikdy neopustí laboratoř, protože se ukáže jako příliš drahá, příliš komplikovaná ve výrobě nebo prostě prohraje s konkurencí. Trh s fotovoltaikou je vyspělý a silně obsazený giganty jako Trina Solar, Canadian Solar nebo First Solar. Každé nové řešení musí nejen fungovat lépe, ale také se hodit do stávajících výrobních linek, být levné, stabilní na déšť, mráz i vedro a přitom bezpečné pro životní prostředí.
Největší otázky na příští roky:
- zda se dají supraballs vyrábět masově, opakovatelně, bez skokového nárůstu nákladů na moduly
- jak taková vrstva snese vlhkost, smog, poškrábání a dlouhodobé působení UV záření
- jestli použití zlata, i v nanometrických množstvích, nebude nákladovým úzkým hrdlem pro velké solární farmy
- jakým způsobem integrovat tyto struktury s klasickým křemíkem nebo novými perovskitovými články
- zda výrobci jako LONGi nebo Meyer Burger projeví zájem o licencování technologie
- jak rychle dokážou výzkumníci přejít z laboratorního měřítka na pilotní výrobu
Pro běžného uživatele záleží především na dvou věcech: kolik elektřiny se dá vyprodukovat z dostupné plochy a kolik stojí každý dodatečný watt výkonu. Pokud díky zlatým nanokulím panely na stejné střeše vygenerují znatelně více energie, investice do fotovoltaiky se stane výhodnější bez přidávání dalších metrů čtverečních modulů.
Zlaté nanokuličky mohou najít využití i mimo střechy
Z pohledu elektroenergetických sítí znamená vyšší účinnost při stejné ploše také lepší využití pozemků pro solární farmy a menší tlak na zabírání nových území. Každé procento účinnosti navíc se promítá do konkrétních megawattů výkonu ze stejného pozemku.
Stojí za zmínku, že technologie tohoto typu často nacházejí vedlejší, neočekávaná použití. Vrstvy s velmi vysokou absorpcí se hodí do precizních senzorů, malých generátorů pro napájení internetu věcí nebo do nositelných zařízení, která sbírají energii z denního světla po celý den. Výzkumníci z Massachusettského technologického institutu a Stanfordovy univerzity již testují podobné aplikace v oblastech od medicínských implantátů po autonomní meteorologické stanice.
Pro osoby sledující vývoj zelené energie je příklad zlatých kuliček z Koreje dobrým připomenutím, že potencíál fotovoltaiky nekončí výměnou měniče nebo novou sérií modulů. Obrovská část hry je stále čistá fyzika a materiály – a právě tam, v laboratořích, padají rozhodnutí, jaké technologie dorazí na naše střechy za deset nebo dvacet let. Zajímá tě, kdy se z laboratorních experimentů stane komerční realita na tvé střeše?
