Potenciál využití fotovoltaických zdrojů v ČR a ve světě (díl 1.)

Instalovaný výkon fotovoltaických elektráren roste v současnosti nejrychleji ze všech zdrojů elektřiny. S poklesem ceny solárních panelů a růstem možností skladování elektřiny roste i očekávání jejich podílu v energetickém mixu. Ovšem současné technologie skladování energie možnosti využití fotovoltaiky stále silně ohraničují. S využíváním tohoto zdroje počítá i státní energetická koncepce Česka. Je tak vhodné se podívat na jeho vlastnosti podrobněji.

Sluneční světlo je zdrojem energie pro velkou většinu dějů na povrchu Země, včetně téměř všech forem života. Rozmach civilizace v posledních stoletích je umožněn využitím fosilních paliv, tedy sluneční energie v palivech uskladněné. Lidé spotřebovávají v průměru energetický výkon okolo 18 TW, tedy jen malý zlomek z asi 174 000 TW výkonu, které posílá Slunce k Zemi.

Pro srovnání, fotosyntetická aktivita na Zemi odpovídá střednímu výkonu asi 130 TW, tedy jen několikrát více než spotřebovává lidská civilizace. Je třeba dodat, že lidé z fotosyntézy probíhající na Zemi využívají pro své účely asi jednu čtvrtinu, tedy o mnoho více než výkon všech dosud nainstalovaných slunečních elektráren, který dosáhl na začátku roku 2017 cca 300 GW_p (jednotka W_p, anglicky watt peak, označuje maximální výkon fotovoltaického článku nebo systému při plném osvětlení a v optimálních podmínkách).

Je také zajímavé, že soudobé fotovoltaické články dosahují podstatně vyšší účinnosti přeměny energie než fotosyntéza. Ve výzkumu, který vedl k současným vysoce účinným slunečním článkům, lze vysledovat příběh, který obsahuje překvapivé inspirace i dramatické zvraty, a stojí za to ho vyprávět.

Historie využití sluneční energie pomocí fotovoltaických článků

Objev fotovoltaické přeměny se datuje do roku 1839, kdy ve svých 19 letech Alexandre-Edmond Becquerel v laboratoři svého otce pozoroval elektrické děje v elektrolytickém článku vyvolané dopadajícím světlem. Jev brzy našel i praktické uplatnění v expozimetrech pro fotografii, ale účinnost přeměny energie tehdejších článků založených na amorfním selenu nebo oxidu měďném byla příliš malá pro praktické použití. Ještě v roce 1931, kdy Thomas Alva Edison v rozhovoru s Henry Fordem prohlásil, že by investoval do sluneční energetiky, účinnost nepřekročila 1 %.

Přelomový moment přišel v roce 1953 v Bellových laboratořích, tedy výzkumném středisku telefonní společnosti AT&T (American Telephone and Telegraph Company). Telefonní linky potřebují zdroje energie pro opakovací zesilovače a používané baterie byly nespolehlivé. Společnost proto požádala Daryla Chapina, aby prověřil jiné možné energetické zdroje (zadání zmiňovalo větrníky, termoelektrické zdroje i parní generátory). Chapin navrhl použití fotovoltaických článků, ale existující selenové články poskytly max. 5 W ze čtverečního metru. Bellovy laboratoře ale také byly místem, kde vznikly první polovodičové součástky (včetně transistoru v roce 1947). Chapinovi přátelé, Gerald Pearson a Calvin Fuller pracovali na metodách dopování křemíku a dokázali připravit plošný pn přechod v křemíkových destičkách. Cílem bylo dosáhnout 6% účinnosti, a to se skutečně podařilo použitím křemíkových destiček dopovaných arsenem a s povrchovou vrstvou dopovanou fosforem. Připravený článek měl plochu přibližně jako klasická žiletka, poskytoval napětí přes 0,5 V a výkon ~60 W/m².

Objev byl ohlášen na tiskové konferenci 25. dubna 1954 a tisk označil objev za „počátek nové éry využití neomezené energie Slunce” (Times) a spekuloval, že „jednoho dne mohou sluneční články vyrobit více energie než zdroje založené na uhlí, ropě či jádru” (New York Times). Každý z trojice autorů pak dostal symbolickou odměnu 1 $ za převod patentových práv na zaměstnavatele.

Tou dobou bylo připraveno méně než 1 W_p křemíkových článků, ale i přes jejich vysokou cenu se rozběhla výroba prototypů prvních slunečních panelů. Nicméně testy praktického použití v městě Americus ve státě Georgia byly zklamáním – panely fungovaly, ale trpěly problémy při zastínění a především při ceně stovek dolarů za W_pbyly prostě příliš drahé. Po nějaké době to vypadalo, že fotovoltaické články zůstanou kuriozitou. Ostatně i Chapin, Fuller a Pearson již tou dobou pracovali na jiném tématu (na výkonových polovodičových součástkách).

Dramatický zvrat v příběhu fotovoltaiky přišel na přelomu let 1957 a 1958 poté, co Sovětský svaz vypustil 4. října 1957 na oběžnou dráhu Sputnik, první umělou družici Země. V době závodů v jaderném zbrojení znamenala tato zpráva pro obyvatele Spojených států nečekaný šok. Spojené státy reagovaly urychlením svého kosmického programu (a také posílením rozpočtu grantové agentury NSF a výuky přírodovědných a technických oborů na školách). O půl roku později byl na oběžnou dráhu vypuštěn Vanguard 1 (oproti Sputniku asi 50x lehčí). Vanguard 1 byl vybaven šesticí malých solárních panelů, které napájely 5 mW radiový vysílač. Ten fungoval až do roku 1964, podstatně déle než u předcházejících družic Sputnik 1 a 2 a Explorer 1 napájených chemickými bateriemi. Napájení kosmické techniky solárními panely se stalo standardem a fotovoltaika tak získala první komerční aplikaci, kde vysoká cena článků nebyla překážkou. Podrobný populární článek o historii i budoucnosti fotovoltaických článků ve vesmíru vyšel zde.

Vlastnosti současných fotovoltaických článků

Účinnost fotovoltaické přeměny křemíkových slunečních článků se od roku 1957 do konce století zvýšila více než čtyřikrát a v roce 1998 dosáhla 25 %. Tento rekord dosáhla laboratoř prof. Martina Greena z Univerzity v Novém Jižním Walesu v Sydney použitím speciálního laboratorního článku s plochou 4 cm², který byl připraven s využitím celé řady opatření ke zlepšení účinnosti. Horní povrch článku je strukturován do mikroskopických pyramid pokrytých dvojitou antireflexní vrstvou. Pyramidy zlepšují záchyt světla a vedou k vysoké hustotě fotogenerovaného proudu. Dopanty na zadní straně článku byly soustředěny do lokálně difundovaných bodových kontaktů. Tato struktura vstoupila i do výroby v čínské firmě Suntech.

Rekord v účinnosti křemíkových deskových článků byl překonán teprve po 16 letech průmyslovými laboratořemi na článcích s plochou používanou při skutečné výrobě. Rekord byl vyrovnán společností Sunpower a pak hned několikrát překročen japonskými články s heteropřechodem vyvinutým firmou Sanyo (nyní Panasonic). Současný rekord drží s hodnotou 26,6 % firma Kaneka. Prostor pro další zvyšování účinnosti je však již velmi omezený, protože současné hodnoty se již blíží fyzikální hranici, známé jako Shockley-Quiesserova mez, která má pro křemík hodnotu 29,4 %.

Pro pochopení Shockley-Quiesserovy meze je třeba vysvětlit základní děje, které probíhají v polovodičových článcích při fotovoltaické přeměně. Každý foton slunečního světla pohlcený v polovodiči vygeneruje elektron ve vodivostním pásu a zanechá ve valenčním pásu odpovídající díru, která se chová jako kladný náboj. Jak elektron, tak díra velmi rychle termalizují (tj. sníží svoji potenciální energii na hranice odpovídajících pásů). Bez ohledu na původní energii tak lze využít z každého fotonu maximálně energii rovnou velikosti zakázaného pásu, tedy rozdíl mezi hranou vodivostního a valenčního pásu (pro křemík 1,1 eV).

Z toho také logicky vyplývá, že není možné pohltit a tedy zužitkovat fotony o energii menší než velikost zakázaného pásu. Velká část světla z infračervené oblasti proto zůstane zcela nevyužita. Další ztráty nastávají na kontaktech a plynou také z nevyhnutelné zářivé rekombinace elektronů a děr.

Pochopení Shockley-Quiesserovy meze ukazuje také cestu k získání vyšší účinnosti. Přehled o rekordních článcích vede Národní laboratoř pro obnovitelné energie v Goldenu v Coloradu a hodnoty jsou publikovány v pravidelně aktualizovaném grafu. Na první pohled zaujme, že nejvyšší účinnosti dosahují podstatně vyšších hodnot než pro křemík, a to až 46 %. Podrobnější pohled do grafu ukazuje, že k překonání účinnosti pro křemík vede několik cest. Je možné volit jiný polovodič s vhodnějším zakázaným pásem a skutečně, např. pro GaAs se dosažená účinnost blíží 29 % při mezní účinnosti 33,5 %. Účinnost fotovoltaické přeměny také roste při koncentraci slunečního svitu (obvykle udávané jako počet sluncí x). Pro křemík tak byla dosažena účinnost 27,6 % při koncentraci 92x, pro GaAs 29,1 % při 117x. Podstatně vyššího zvýšení účinnosti je možno dosáhnout při použití tandemových článků s více zakázanými pásy: světlo nejdříve prochází článkem s větším zakázaným pásem, který dovolí využít větší část energie absorbovaných fotonů. Přitom fotony s energií menší než je zakázaný pás prvního článku projdou k dalšímu článku s menším zakázaným pásem. Články jsou řazeny za sebou a jejich napětí se tak sčítají. Podmínkou, aby tandemový článek dobře fungoval jako celek, je sladění fotoproudů generovaných v jednotlivých článcích. Stejný princip lze použít opakovaně a rekordní účinnost 46 % byla dosažena při použití čtyřnásobného tandemu GaInP/GaAs; GaInAsP/GaInAs a koncentraci světla 508x.

Nicméně tyto rekordní články nejsou vhodné pro běžné použití, protože vyžadují speciální konstrukci panelů s přesným sledováním Slunce během dne, nejsou vhodné pro použití v situacích, kdy sluneční světlo je rozptylováno např. aerosoly v ovzduší, ale hlavně, jejich příprava vyžaduje mimořádné náklady.

Z jiného úhlu pohledu mohou být zajímavější naopak články, které se ve zmíněném grafu nacházejí ve spodní části. Zde nalezneme pestrý peloton článků připravených typicky jako tenké vrstvy polovodičů nebo organických barviv ve směsi s anorganickou matricí, např. TiO₂. Jejich hlavní výhodou je především možnost připravit je s daleko menšími náklady i nároky na energii potřebnou na jejich vlastní výrobu. Z toho pak plyne doba, za kterou odpovídající fotovoltaické panely dosáhnou energetické návratnosti. Ta se pohybuje v typických podmínkách střední Evropy na úrovni dvou let pro panely s křemíkovými deskami, ale může být i kratší než jeden rok pro tenkovrstvé panely. Při očekávané životnosti panelů cca 25 let z toho plynou poměrně vysoké hodnoty energetického zisku (na úrovni 10 až 20 násobku). V tomto srovnání vycházejí tenkovrstvé panely významně lépe, protože energeticky nejdražší součástí běžných panelů jsou právě křemíkové desky. Příprava křemíkových desek s potřebnou úrovní čistoty je z hlediska vynaložené energie asi desetkrát náročnější než všechny ostatní součásti panelů. Přitom běžné tenkovrstvé panely používají jen asi 1 mikrometr silnou vrstvu křemíku (na rozdíl od typické tloušťky křemíkových desek od 100 do 250 μm).

Přes tuto výhodu je v současné době velká většina fotovoltaických panelů založena právě na křemíkových deskách. Důvod je samozřejmě ekonomický. Masová výroba slunečních článků vedla v posledních letech k jejich výraznému zlevňování, které se označuje jako Swansonův zákon solární energetiky. Podobně jako Mooreův zákon pro vývoj počítačů, je Swansonův zákon ve skutečnosti empirické pozorování, že zdvojnásobení výroby fotovoltaických modulů vede ke snížení ceny o 20 %. Zákon je pojmenován po Richardu Swansonovi, zakladateli firmy SunPower, a vystihuje tzv. učební křivku fotovoltaiky.

Učební křivku využili především výrobci panelů založených na křemíkových deskách a díky tomu se výrobní náklady pro tyto panely v současnosti pohybují na úrovni 0,5 $/W_p nebo méně (zde je však třeba zmínit, že zvláště v posledních letech byla část snížení ceny dosažena přesunem velké části výroby do zemí s nízkými náklady, především do Číny a nedávné uzavření některých znečišťujících provozů v Číně tlačí na zvýšení ceny).

Hodnota výrobních nákladů 0,5 $/W_p je důležitá v několika směrech. Až do nedávna byly náklady na panely hlavním důvodem, proč fotovoltaická elektřina nebyla schopná přímé ekonomické soutěže s klasickými zdroji. To se však v posledních několika málo letech změnilo a v řadě zemí bylo dosaženo tzv. parity se sítí, tedy vyrovnání cen fotovoltaické elektřiny (se započtením všech nákladů během životního cyklu elektrárny) s cenou, za kterou by elektřina byla nakoupena z rozvodné sítě.

Druhým důsledkem je, že cena panelů je již jen menší částí nákladů na fotovoltaický systém a celkově převažují náklady na tzv. zbytek systému, tedy na konstrukce, střídače, připojení a provoz. Tyto náklady jsou většinou přímo úměrné ploše systému a to zvýhodňuje panely s vyšší účinností. Naopak tenkovrstvé panely se, i přes jejich vyšší energetický zisk, postupně staly díky menší účinnosti neschopné konkurence a jejich výroba relativně i absolutně klesá. Dochází tak k jevu zamrznutí technologie, kdy panely s křemíkovými deskami dominují trhu a využívají rychlého růstu k dalšímu zlevňování.

Jak k vyšší účinnosti – perovskity

Aby měly ostatní články šanci se prosadit, musela by se objevit cesta, jak dosáhnout vysoké účinnosti i pro ně. V tomto směru došlo před několika málo lety opět k překvapivému zvratu, a to díky nástupu organicko-anorganických perovskitových slunečních článků s chemickým vzorcem CH₃NH₃PbX₃ , kde X je Cl, Br nebo I. První pokusy provedla skupina prof. Miyazaky v roce 2009 a získala účinnost 3,8 %. Od té doby se hodnoty dosažené účinnosti mimořádně rychle zvyšují. Optimalizací přípravy a struktury článku se podařilo dosáhnout aktuální rekordní účinnosti 22,7 % ve skupině prof. Seoka. Tato hodnota je o to pozoruhodnější, uvědomíme-li si, že se jedná o jen 200–300 nm tlusté aktivní vrstvy připravované z roztoků za běžných teplot (do 100° C). Perovskity by se tak mohly stát základem pro levnou a jednoduchou výrobu velmi účinných slunečních článků.

Na druhou stranu je třeba zdůraznit, že perovskitové sluneční články mají i své neduhy. Prvním zásadním problémem je interakce se vzdušnou vlhkostí, která způsobuje chemický rozklad perovskitové struktury, čímž se obvykle na časové škále měsíců postupně snižuje výsledná účinnost fotovoltaické přeměny. Druhým problémem je obsah těžkého kovu – olova, které může být i přes relativně malé používané množství potenciálně nebezpečné.

Je tak zřejmé, že příběh hledání cesty pro využití Slunce jako obnovitelného zdroje elektřiny ještě bude pokračovat dalšími kapitolami.

Článek bude pokračovat druhým dílem…

Autoři článku: Vladimír Wagner, Antonín Fejfar, Martin Ledinský

Poznámka

Článek je třetí z cyklu, který bude rozebírat možnosti jednotlivých energetických zdrojů u nás, a jehož cílem je iniciovat diskuzi o budoucím rozvoji české elektroenergetiky a jeho úskalích i možnostech. Hlavně v souvislosti s tím, že od poslední aktualizace energetické koncepce uplynulo již pár let a v oblasti energetiky se u nás reálně nic moc neudělalo. Zároveň se objevuje řada rizik a tak je velmi důležité udělat si přehled o vývoji a stavu energetiky ve světě i u nás. První část věnovaná větrné energii je dostupná zde (díl 1.) a zde (díl 2.). Druhá část věnovaná jaderným zdrojům je dostupná zde (díl 1.) a zde (díl 2.).

Článek byl původně publikován na webu OSEL.CZ

Práce rozebírající potenciál fotovoltaiky u nás:

J. Jakubes a V. Járka: Studie „Potenciál solární energetiky v České republice“, firma ENACO pro Českou fotovoltaickou průmyslovou asociaci

Část textu vychází z článku:

A. Fejfar, M. Ledinský, Fotovoltaické využití energie světla ze Slunce, Československý Časopis pro Fyziku. 65 (2015) 384–388

Doporučené zdroje:

Solarpower Europe Global Market Outlook

National Renewable Energy Laboratory