Krach, nebo převrat? Na solární trh má dorazit novinka, tajemné perovskity

Německý Branibor nad Havolou (Brandenburg) už měl být svědkem dvou velkých revolucí v solární energetice. Jako první tu vznikla továrna na výrobu „tenkých“ článků (správně tenkovrstvých článků), které lze vyrábět s využitím menšího množství materiálu – a v principu tedy levněji a šetrněji než běžné panely z křemíku.

V roce 2022 by se tu měla na plný výkon rozběhnout linka na výrobu solárních článků s využitím nové technologie, která má přinést další zlevnění a zároveň i zlepšení výkonů fotovoltaických elektráren. Tyto takzvané perovskitové články by se v principu měly dát jednoduše tisknout a lze je upravit tak, aby dokázaly účinně využívat i ty části slunečního spektra, které běžné křemíkové panely využít nedokážou.

Skutečnost je ovšem méně úžasná: v podstatě je to tak, že ve skutečnosti jeden riskantní projekt zaujal místo, které mu uprázdnil krach předchozího riskantního – a nakonec neúspěšného – projektu.

Tenkovrstvá „solární revoluce“ totiž v Brandenburgu skončila stejným neúspěchem jako prakticky všude jinde po světě. Například v USA krach výrobce tenkovrstvých článků Solyndra stál značný politický kapitál tehdejšího prezidenta Obamu. Firma totiž předtím získala federální úvěr (ze stejného programu získala dotace také například společnost Tesla, to ovšem vzhledem k jejímu úspěchu vládě vyčítá málokdo).

Zatímco v případě Solyndry hrála roli i nezkušenost managementu a příliš rozmáchlé plány, braniborskou továrnu společnosti Bosch celkem jednoznačně uzavřela levnější konkurence z Číny. Ta sice používala tradičnější technologii, tedy výrobu z krystalického křemíku, ale díky čínské státní podpoře a mohutným investicím do výrobních technologií a know-how evropské výrobce zcela zničila.

V roce 2017 neúspěšný podnik koupila firma Oxford PV, která chce křemíkový monopol porazit jinak. Sází na výrobu z materiálů, o kterých na rozdíl do křemíku před 15 lety ještě nikdo netušil, že by mohly sloužit k výrobě elektřiny ze slunečního záření. Vlastně se vůbec příliš nevědělo, k čemu by mohly být dobré.

První zástupce skupiny sloučenin známé jako perovskity byl popsán už ve 30. letech 19. století díky práci německého vědce Gustava Roseho a ruského mineraloga Lva Alexejevičove Perovského. Ten to tehdy ještě nevěděl, ale popsal obecnou skupinu látek, které všechny sice mají podobnou krystalickou strukturu, ale mohou být z různých prvků. Je to tak trochu jako různé geometrické tvary z odlišných materiálů: jehlan může být ze dřeva, kovu i sýra, ale pořád je to jehlan.

Obecný vzorec skupiny používaných látek je ABX3. A a B jsou dva kationty (tj. kladně nabité ionty) a X je aniont, který atomy A a B pojí dohromady. Příkladem může být třeba CaTiO3, tedy oxid titaničito-vápenatý. V článcích se sice používají z chemického hlediska úplně jiné látky, ale jejich základem jsou právě krystaly tohoto typu. Aby se zlepšila jejich schopnost měnit světlo na elektřinu, bývají na této krystalické „kostře“ připevněny nejrůznější jiné chemické skupiny.

V roce 2009 japonští vědci spíše do jisté míry náhodou vytvořili vůbec první solární článek, ve kterém perovskit sloužil k přeměně fotonů na elektrony. Měl mizivou účinnost 3,8 procenta, byl velmi nestabilní (samovolně se rozpouštěl), ale výsledek přesto zaujal.

Základní materiál byl totiž nesmírně levný. Už autory tohoto primitivního a neúčinného článku napadlo, že solární panely z těchto materiálů by se daly vyrábět sítotiskem: tedy podobně jako se tisknou třeba nálepky. Například jedna americká firma, která se dnes snaží prosadit s výrobou perovskitů, Energy Material, se snaží přestavět starý závod na výrobu tenkých solárních článků v Rochesteru ve státě New York, kde se kdysi vyráběly filmy společnosti Kodak. Křemíkové solární články se naopak musí vyrábět za velmi vysokých teplot a z velmi kvalitního, čistého, a tedy relativně nákladného materiálu (v té době ještě mnohem dražšího než dnes).

Ovšem vraťme se do historie. Průkopnický japonský tým brzy následovaly další a výkony perovskitových článků začaly rychle stoupat. V srpnu roku 2012 vytvořil tým ze švýcarského Lausanne články s perovskitem s účinnosti necelých 10 procent. V červenci roku 2013 pak rekord posunuli na hodnotu 15 procent.

Již v té době se jednou z nejvýraznějších postav „perovsktitové scény“ stal Henry Snaith z Oxfordské univerzity. Snaith představil v časopise Science první perovskitový článek, který nepotřebuje kapalný elektrolyt. Články obsahující kapalinu jsou totiž velmi nepraktické, na slunci by mohly například velmi snadno praskat.

Snaith optimisticky prohlašoval, že v dohledné době podle něj nebude problém s pomocí perovskitů postavit články s účinností zhruba 20 až 25 procent, tedy vyšší, než mají standardní křemíkové články. A především technologii věřil natolik, že spoluzaložil společnost Oxford PV (jako spin-off Oxfordské univerzity, odtud název), která snad v letošním roce uvede perovskitové články na trh.

I přes všechny přísliby bylo jasné, že vědce čeká ještě spousta práce. Problém je například v tom, že perovskitů je nepřeberné množství. Pokud se měly opravdu prosadit, materiáloví odborníci museli v této záplavě najít sloučeniny s vhodnými vlastnostmi a vyvinout výrobní postupy, z jejichž pomocí by se daly připravit za nižší cenu než kvalitní křemík.

Velkou slabinou byla třeba nestálost, nestabilita řady slibných materiálů. Některé se velmi ochotně rozpouštěly i při nízké vlhkosti, ve výjimečných případech dokonce tak rychle, že se nepodařilo ani řádně změřit jejich účinnost. Jiné se na světle postupně rozpouštěly, což je pro fotovoltaický materiál nepříjemný handicap. Další špatně snášely vyšší teploty, kterým může být případný solární panel vystaven, především samozřejmě v teplejším a sušším klimatu.

Další problém představoval obsah jedovatých látek v řadě slibných „solárních“ perovskitů, konkrétně olova. Nebývá ho mnoho, například Oxford PV tvrdí, že v jeho článcích by ho mělo být zhruba 0,3 gramu na metr čtvereční. I když si těžko představit, že v takovém množství by mohly panely způsobit nějakou ekologickou katastrofu, z legislativního hlediska (a tedy i z pohledu uživatele) to představuje problém při vyřazování (případných) panelů z provozu.

Zastánci technologie dnes tvrdí, že se problémy s trvanlivostí zveličují, a díky rokům vývoje je situace jiná. Články některých výrobců už prošly běžnými mezinárodními testy odolnosti a trvanlivosti (tj. IEC 61215), tedy testy „zrychleného stárnutí“. Automaticky to však neznamená, že by v běžných podmínkách měly fungovat zhruba stejně dlouho jako křemíkové panely, od kterých se dnes očekává životnost přes 25 let.

Jak to bude s perovskity, zatím nevíme. Spolehlivých měření z nezávislých laboratoří je zatím málo. Navíc je technologie tak mladá, že prostě nemůžeme mít dlouhodobá data. Ale možnosti jsou tak zajímavé, že i tak kolem nich panuje znatelné vzrušení.

Perovskity mají jednu velkou výhodu: jsou velmi flexibilní. Při troše snahy z nich lze vyrobit panely schopné zaměřit se na určitou část světelného spektra (tj. například červenou, modrou, zelenou atp.), ale mohou být také flexibilní fyzicky – tedy doslova ohebné.

S touto technologií se snaží prorazit například polský start-up Saule Technologies. Polka, která v té době byla Ph.D. studentkou na univerzitě ve španělské Valencii, nemohla uvěřit, že o materiálech, ze kterých jde jednoduše v laboratoři vyrábět fotovoltaické články s poměrně slušnou účinností, nikdy předtím neslyšela. Podle toho, co se právě dozvěděla, by mělo stačit smíchat několik jednoduchých solí…

„Nemohla jsem uvěřit, že by to bylo tak jednoduché,“ řekla s ročním odstupem časopisu Nature. V té době už její malý – a nakonec úspěšný – experiment přerostl v něco mnohem většího. V roce 2014 získala evropskou cenu za inovace ve studentské kategorii. V oceněném projektu svůj „solný“ článek připravila na ohebné plastové podložce, a vyrobila tak funkční ohebný fotovoltaický článek.

Po příští týdny a měsíce její telefon údajně téměř nepřestal zvonit. Jeden investor za druhým se jí ptal, zda založí vlastní firmu a zda se na tom mohou podílet. V květnu 2014 tehdy 31letá doktorandka „podlehla“ a založila firmu.

Vrátila se do Polska, pronajala si laboratoř v technologickém parku ve Wroclavi a odmítla nabídku na odprodej 10procentního podílu ve firmě za milion euro. Zřejmě dobře udělala, protože podle neoficiálních informací, které firma sama nikdy nepotvrdila, nakonec od nejmenovaného japonského investora dostala za podíl ve firmě zhruba pět milionů euro.

Společnost zatím běžné produkty na trhu nemá, ale investoři i možní zákazníci ji berou velmi vážně. Saule Technologies se minimálně zpočátku chce soustředit na fotovoltaické panely pro zvláštní použití. Příkladem mohou být průhledné či poloprůhledné články do oken a na fasády budov. Nejde tedy o tradiční pevné deskové články, ale v podstatě víceméně průhledné „fólie“, které by se měly připevnit na připravené povrchy (polská firma v roce 2018 uzavřela licenční smlouvu na tento segment panelů se společností Skanska).

Další oblastí by měla být výroba (vlastně „tisk“) ohebných fotovoltaických článků. Ty by se podle prezentovaných plánů polské firmy mohly využívat například v nejrůznějších aplikacích pro „internet věcí“. Tedy k dobíjení nejrůznějších drobných senzorů a jiných elektronických zařízení. Firma spustila v loňském roce také vlastní prototypovou linku na výrobu větších ověřovacích sérií, na trhu její články ovšem zatím nejsou a není jasné, kdy by mohly být.

V Braniboru působící Oxford PV situaci vidí jinak. Podle této firmy perovskity mohou do praxe nejlépe dojít ruku v ruce s křemíkem. Společnost chce uspět s kombinovanými křemíkovými články doplněnými o perovskitovou vrstvu. Lze tak vytvořit panely, které mají výrazně vyšší účinnost, a dokážou tedy z menší plochy vyrobit více energie.

Dopadající světlo nejprve projde jednou vrstvou perovskitového materiálu, který dobře pohlcuje především světlo kratších vlnových délek, tedy směrem k modré části spektra. Naopak křemíkový článek je účinnější při absorpci světla větších vlnových délek. Obě vrstvy se tak dobře doplňují.

V některých využitích účinnost není až tak důležitá (když je plocha levná), v jiných hraje poměrně velkou roli. Majitel rodinného domku nemá k dispozici neomezenou plochu a čím menší panel mu stačí na pokrytí jeho spotřeby, tím menší může být jeho počáteční investice. Rozdíl přitom může být značný.

Běžné křemíkové články mají účinnost přeměny světla na elektřinu někde v pásmu nad 20 procent. Kombinací takového křemíkového článek s účinností kolem 20 procent a vhodného perovskitového článku s účinností kolem 15 procent může vzniknout článek, který má dohromady účinnost kolem 30 procent (nejde o jednoduchý součet). Což znamená, že takový článek by ze stejné plochy vyrobil v některých případech až o polovinu více elektřiny. Na střechu tak stačí menší panel i střešní konstrukce.

Oxford PV má k dispozici kombinované panely s naměřenou účinností přes 29 procent. Není ovšem jasné, zda takových parametrů budou dosahovat i sériově vyráběné články. Do budoucna by údajně mělo být relativně snadné přidávat k panelům další vrstvy, a zvýšit účinnost snad až ke 40 procentům, doufají výzkumníci (a to nejen ti z Oxford PV).

Klíčová bude ovšem samozřejmě cena. I malý rozdíl by mohl být pro odběratele zajímavý, pokud bude cena příznivá. Společnost Oxford PV tvrdí, že již má vyvinutý vhodný výrobní proces, který lze dobře zapojit do výroby křemíkových panelů. „Je to relativně jednoduchý proces,“ tvrdil technický ředitel společnosti Chris Case pro časopis PV Magazine v létě loňského roku, když se linka kompletovala.

Závod v Braniboru ovšem rozhodně celý obor jen tak nezmění. Linka v Braniboru může ročně vyrobit články s maximálním výkonem 100 megawattů (MW). I kdyby tedy v letošním roce pracovala na plný výkon, nesnese porovnání se závody velkých (hlavně čínských) výrobců, kteří produkují gigawatty ročně. Na druhou stranu, Oxford PV alespoň prozatím tvrdila, že nechce být exkluzivním výrobcem této technologie a bude ji ochotna licencovat dalším výrobcům, takže samozřejmě její nástup může být rychlejší. Jak, to je otázka.

Pokud se technologie uchytí, není jisté, kdo na tom vydělá nejvíce. Perovskitové články se snaží do výroby dostat i firmy v USA či v Číně. Ne o všech máme stejně dobré informace, a tak není jasné, která z nich vlastně může zvítězit.

Jedním z hlavních důvodů kolapsu výroby tenkovrstvých článků před deseti lety byl nástup Číny jako hlavního výrobce levných křemíkových článků. Díky vládním dotacím ve výši 41 miliard dolarů se Čína dostala rychle do pozice světové jedničky. V roce 2000 nevyráběla téměř žádné solární panely, v roce 2012 už pokryla 60 % procent světové poptávky. V roce 2019 Čína vyráběla přibližně 80 % světových solárních panelů.

Výroba křemíku na území Číny se přitom soustředí do provincie Xinjiangu, známé jako domov ujgurské menšiny. Kromě levné pracovní síly a vládní podpory pro „převýchovu“ je dalším důvodem i nízká cena elektrické energie z uhelných elektráren v regionu.

V roce 2018 administrativa bývalého prezidenta Donalda Trumpa Čínu obvinila z dumpingu a nekalých obchodních praktik v této oblasti a uvalila cla na dovoz čínských solárních panelů. Platnost těchto cel vyprší v únoru 2022, ovšem Bidenova administrativa posuzuje žádost domácích výrobců solárních článků o jejich prodloužení. Pokud budou cla platit i nadále, americké solární společnosti budou samozřejmě v poměrně dobré pozici, aby s novou technologií uspěly.

V Evropě je situace trochu jiná. Cla na solární panely z Číny v Evropě nějakou dobu platila, ovšem v současné chvíli žádná nejsou. Zdecimovaný evropský solární průmysl tedy nebude mít jednoduché výchozí postavení. Jestli si poradí lépe než v první dekádě 21. století, je otevřenou otázkou.