Problém: solární panely plýtvají většinou sluneční energie
Slunce každou sekundu zásobuje Zemi obrovským množstvím energie – výrazně více, než celé lidstvo v témže okamžiku spotřebuje. Přesto běžné fotovoltaické panely z tohoto záření využijí jen zlomek dostupného potenciálu.
Nejlepší komerčně dostupné monokrystalické křemíkové panely dnes dosahují účinnosti přibližně 20–22 %. Jinými slovy, ze vší energie dopadající na střešní modul se v elektřinu přemění sotva pětina. Zbytek se rozplyne v podobě odraženého světla nebo zbytečného tepla.
Nejde o chybu výrobců, ale o fyzikální hranici známou jako Shockleyho-Queisserův limit. Křemík dokáže efektivně zpracovávat jen úzký výsek slunečního spektra. Záření o jiných vlnových délkách materiálem prostě projde, odrazí se nebo ohřeje článek, místo aby generovalo elektrony.
Zlaté nanočástice a jejich neobvyklý vztah ke světlu
Vědci experimentují se zlatem v nanoměřítku už od počátku nového tisíciletí. Na této úrovni se totiž zlato chová zcela jinak než klasický kov v cihlách. Klíčovým jevem je takzvaná lokální povrchová plazmonová rezonance (LSPR).
Když světlo dopadne na zlatou nanočástici, elektronový „mrak" na jejím povrchu začne vibrovat na takové frekvenci, že částice světlo nejen odráží, ale mimořádně účinně pohlcuje. Funguje přitom trochu jako miniaturní anténa naladěná na konkrétní vlnovou délku.
Jenže tu je háček. Každá jednotlivá nanočástice reaguje především na úzký rozsah vlnových délek, který závisí na její velikosti. Jedna „slyší" blízkou infračervenou oblast, jiná zelené nebo červené světlo. Samostatná částice je tedy skvělý absorber, ale jen pro malý výsek slunečního spektra.
Vědci dlouhodobě hledají způsob, jak vytvořit strukturu, která jediným řešením zachytí co největší část využitelného slunečního záření, nikoli jen jeho zlomek.
Supraballs – zlaté kuličky složené z mnoha nanočástic
Tým z Korea University se rozhodl tuto slabinu otočit ve svůj prospěch. Namísto práce s jednotlivými nanočásticemi stejné velikosti spojili výzkumníci mnoho částic různých rozměrů do jediné větší koule. Takto vznikly struktury, kterým dali název „supraballs".
Princip je elegantně jednoduchý: každá nanočástice uvnitř kuličky má jinou velikost, a tudíž se „ladí" na jinou vlnovou délku. Výsledkem je, že celá kulička dokáže pohlcovat světlo z širokého spektra – od kratších vlnových délek až po blízkou infračervenou oblast.
Navíc tyto struktury vznikají samy od sebe. Za správných chemických podmínek se zlaté nanočástice spontánně uspořádají do kuliček, aniž by bylo potřeba složitých montážních zařízení nebo litografie.
Jak proces probíhá v praxi
- nejprve se připraví roztok obsahující zlaté nanočástice různých velikostí,
- poté se kontrolují podmínky, například koncentrace a teplota, aby se vyvolala samoorganizace,
- částice se spojí do stabilních, vícekomponentních kuliček – supraballs,
- hotová „polévka" s kuličkami se dá nanést jako barva na povrch zařízení.
Simulace: teoreticky přes 90 % absorpce záření
Ještě před zahájením experimentů sáhli vědci po pokročilých numerických simulacích. Chtěli zjistit, jaký průměr by zlaté kuličky měly mít, jak rozvrhnout velikosti složkových nanočástic a jak hustě je uspořádat, aby absorpce dosáhla co nejvyšší hodnoty.
Počítačové modely ukázaly, že správně navržené supraballs jsou schopny pohltit přes 90 % energie v použitelném rozsahu slunečního spektra. To je úroveň, o které mohou klasické struktury z jednotlivých nanočástic jen snít.
| Typ povlaku | Absorpce záření |
|---|---|
| Běžné zlaté nanočástice | přibližně 45 % |
| Zlaté supraballs | přibližně 89 % (laboratorní test) |
Laboratorní test: téměř dvojnásobné množství pohlcené energie
Po sérii simulací přišel čas na skutečný experiment. Výzkumníci 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 zaschnutí vznikl tenký zlatý povlak. Celé zařízení bylo poté osvětleno v kontrolovaných podmínkách pomocí speciálního LED simulátoru napodobujícího sluneční spektrum.
S tímto povlakem zařízení pohlcovalo přibližně 89 % dopadajícího záření. Tentýž generátor pokrytý klasickým filmem ze zlatých nanočástic zachytil jen kolem 45 % energie.
Rozdíl je tedy působivý, přinejmenším v laboratorních podmínkách. Hovoříme o téměř dvojnásobné absorpci dosažené pouhou změnou struktury stejných surovin, bez nutnosti vymýšlet exotické či vzácné materiály.
Dostanou se zlaté kuličky na střechy domů?
Zní to jako recept na revoluci ve fotovoltaice, ale sami autoři výzkumu tlumí nadšení. Neslibují, že technologie brzy zvýší účinnost panelů z 20 % na 40 %, ani že za chvíli koupíme moduly se supraballs v běžném obchodě.
Přechod z vědecké publikace k produktu na střeše dokáže trvat roky, někdy celá desetiletí. Část technologií nikdy laboratoř neopustí, protože se ukáže jako příliš drahá, výrobně příliš složitá 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 cenově dostupné, odolné vůči dešti, mrazu i vedru a zároveň šetrné k životnímu prostředí.
Klíčové otázky pro nadcházející roky
- zda je možné vyrábět supraballs hromadně, opakovaně a bez výrazného zdražení modulů,
- jak si takový povlak poradí s vlhkostí, smogem, poškrábáním a dlouhodobým působením UV záření,
- zda použití zlata, byť v nanomnožstvích, nepředstavuje nákladové úzké hrdlo pro velké solární farmy,
- jak tyto struktury integrovat s klasickým křemíkem nebo novými perovskitovými články.
Proč zrovna zlato, a ne levnější kov?
Na první pohled zní nápad posílit panely drahým kovem jako vtip. V nanoměřítku je situace jiná. Zlato má výjimečně stabilní chemické vlastnosti, neoxiduje se jako stříbro a vykazuje velmi výrazný plazmonický efekt.
Důležité je, že množství kovu je zanedbatelné. Jde o ultratence vrstvy neviditelné pouhým okem. Náklady na materiál mohou být v praxi přijatelné, pokud díky tomu panely dodají výrazně více energie ze stejné plochy střechy nebo farmy.
Pokud technologie dozraje, dá se teoreticky spojit nejen s klasickým křemíkem, ale i s novou generací článků – například s tandémovými strukturami křemík a perovskit, které již dnes slibují překonání 30% účinnosti.
Co tato myšlenka může v praxi změnit
Pro běžného uživatele jsou nejdůležitější dvě věci: kolik elektřiny lze vyrobit z dostupné plochy a kolik stojí každý dodatečný watt výkonu. Pokud díky supraballs panely na stejné střeše vyprodukují znatelně více energie, investice do fotovoltaiky se stane výhodnější bez nutnosti přidávat další čtvereční metry modulů.
Z pohledu elektroenergetických sítí znamená vyšší účinnost při stejné ploše také lepší využití pozemků pro solární farmy a menší tlak na záběr nových území. Každé procento účinnosti navíc se promítá do konkrétních megawattů výkonu ze stejného pozemku.
Stojí také za zmínku, že technologie tohoto typu nezřídka nacházejí vedlejší, nečekaná uplatnění. Povlaky s velmi vysokou absorpcí se hodí v precizních senzorech, malých generátorech pro napájení internetu věcí nebo v nositelné elektronice, která sbírá 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. Obrovská část hry se stále odehrává v čisté fyzice a materiálových vědách – a právě v laboratořích se rozhoduje, jaké technologie se za deset nebo dvacet let objeví na našich střechách.
