Přišla konečně chvíle pro ohebnou energii ze slunce?

Příběh této snahy o získání levnější energie mohl určitě začít úplně jinak, ale začal nad kávou. V roce 1977 se během přestávky na občerstvení při vědecké konferenci sešli budoucí nositelé Nobelovy ceny Alan Heeger, Alan MacDiarmid a Hideki Širakawa.

Tématem jejich rozhovoru byly plasty, i když oni používali nepochybně odborný výraz polymery. Japonský vědec svým kolegům vyprávěl, jak omylem použil v jednom experimentu mnohonásobně více jedné látky a vytvořil plast se zvláštním kovovým leskem. Ukázalo se, že jde o „polovodičový polymer“, tedy plast, který může vést elektrický proud.

V roce 1977 vydali článek, ve kterém podrobně popsali, jak původně náhodný objev zopakovali. Vznikl tak nový obor „organické elektroniky“. Jeho nejznámějším příkladem jsou OLED displeje známé z (některých) mobilních telefonů.

Forem využití, ať už těch realizovaných, nebo jen hypotetických, je ovšem mnohem víc. Jednou z nich je i výroba levných solárních článků. Křemík, který se stále používá pro výrobu většiny fotovoltaiky, je proti plastům mnohonásobně dražším a hůře dostupným materiálem. Od začátku existovala naděje, že podobné panely by se mohly tisknout na upravených rotačkách

V roce 1986 byl ve společnosti Eastman Kodak Company vyroben první tzv. organický fotovoltaický článek. Účinnost přeměny světla na elektřinu: 1 %. Na přelomu tisíciletí se podařilo zvýšit účinnost „organiky“ na přibližně pět procent, což přimělo několik společností, aby se pokusily s technologií komerčně uspět.

Verdikt trhu byl ovšem jasný – organická fotovoltaika se neuchytila. Pracovat se na nich ovšem nepřestalo: „Vývoj se pohyboval v takových skocích: začalo se u účinnosti kolem procenta, pak se dlouho pohybovala kolem pěti až sedmi procent, nyní už se publikuje o článcích s účinností přes 19 procent,“ říká Jiří Pfleger z Ústavu makromolekulární chemie Akademie věd.Vývoj v oboru sleduje už několik dekád. A je opatrně optimistický, že během posledních 20 let se podařilo přijít s řadou vylepšení, která minimálně u některých vzbuzují naději, že se snad konečně blíží chvíle, kdy „tištěné články“ prorazí.

Nebudou to mít jednoduché. Konvenční fotovoltaické panely, tedy v podstatě výhradně křemíkové, už jsou etablovaným produktem a v současné době vyrábějí zhruba tři procenta veškeré elektřiny. V mnoha ohledech jde o nejrychleji rostoucí energetický zdroj současnosti. Díky desetiletím technických vylepšení a globálnímu dodavatelskému řetězci cena solární energie také stále klesá a tento trend má ještě pokračovat. Těžko to ovšem bude takovým tempem jako doposud, protože od 70. let cena klesla o 99 procent.

Průkopníci v oboru organické fotovoltaiky se ovšem spíše domnívají, že pomůže nastartovat vlnu nových aplikací a dostat fotovoltaiku tam, kde křemíkové panely fungovat nebudou.

V listopadu 2021, kdy městská společnost v německém Marburgu prováděla plánovanou údržbu zásobníku teplé vody, přilepili technici na vnější stranu hlavní 10 metrů vysoké válcové nádrže 18 solárních panelů.

Pro solární panely to není typické umístění, jde obvykle o ploché, tuhé obdélníkové desky z křemíku a skla rozmístěné na střechách nebo v solárních parcích. Ovšem panely v marburském zařízení jsou ultratenké organické fólie vyrobené německou solární společností Heliatek.

V posledních několika letech společnost Heliatek namontovala své flexibilní panely na boky kancelářských věží, zakřivené střechy autobusových zastávek, a dokonce i na tubus 80 metrů vysoké větrné elektrárny.

Heliatek totiž hledá nové trhy, kde mu tradiční výrobky fotovoltaiky nebudou stačit. „Existuje obrovský trh, kde klasická fotovoltaika nefunguje,“ řekl časopisu Science Jan Birnstock, technický ředitel společnosti.

Panely německé firmy jsou zhruba desetkrát lehčí než křemíkové panely a jejich výroba stojí v některých případech jen polovinu. Některé z nich jsou dokonce průhledné, takže si architekti představují solární panely nejen na střechách, ale i na fasádách budov, v oknech, a dokonce i ve vnitřních prostorách.

Z hlediska provozních vlastností ovšem nejsou články Heliateku srovnatelné s křemíkovou „klasikou“. Například přeměňují na elektřinu přibližně jen devět procent energie dopadajícího slunečního záření. To znamená, že například v případech, kde je hlavním omezením prostor, je výhodnější pořídit křemíkové články, jejichž účinnost je zhruba dvojnásobná. Ze stejné střechy tak je možné vyrobit dvakrát tolik energie.

Nikde není psáno, že to tak musí zůstat. V posledních letech totiž výzkumníci po celém světě přišli s novými materiály a konstrukcemi „organiky“, které v malých, laboratorně vyrobených prototypech dosahují účinnosti téměř 20 procent.

Na pohled se navíc prostor pro další zlepšování zdá ještě poměrně veliký. Na rozdíl od křemíkových krystalů a CIGS, kde jsou výzkumníci většinou omezeni na několik málo chemických možností, které jim příroda dává, u organických panelů lze mnohem více experimentovat.

Vědci mohou upravovat chemickou strukturu, měnit uspořádání atomů a míchat různé prvky z  periodické tabulky. „Organické články umožňují to, čemu se někdy říká „chemická krejčovina“, tedy vyrábět je víceméně podle specifických požadavků tak, aby například zachycovaly pouze určitou část slunečního spektra a třeba část viditelného světla propouštěly,“ říká Jiří Pfleger.

V jiných ohledech s nimi mají vědci zase těžší práci. V organických článcích nedochází po dopadu fotonu na článek tak snadno k rozdělení elektronu a tzv. díry. Dochází ke vzniku vázaných dvojic, které dohromady tvoří tzv. exciton. Pro výrobu elektřiny je ovšem nutné, aby se excitony rozdělily na kladné a záporné náboje, které mohou putovat k příslušným elektrodám.

K okamžiku oddělení dochází, když excitony narazí na rozhraní mezi dvěma polovodičovými organickými materiály, z nichž jeden ochotně přijímá elektrony (akceptor). Zde se exciton rozdělí na volné náboje - záporný elektron a kladnou tzv. díru.

Musí k tomu dojít ovšem rychle. Vytvořené vázané páry elektronů a děr totiž v organických článcích nevydrží dlouho. Za dobu své životnosti urazí takový pár elektronu a díry v polymeru jen asi 10 nanometrů (tedy miliardtin metru). Pak se náboje znovu spojí a energie se ztratí v podobě nežádoucího tepla. Organické články tak musí mít velmi jemnou strukturu, ve které jednotlivé vrstvy článku od sebe nedělí právě více než ideálně jednotky nanometrů.

Na hledání vhodných materiálů se pracuje desetiletí. Kolem roku 2000 se podařilo zvýšit účinnost článků nad pět procent především začleněním fullerenů, tedy uhlíkových sloučenin ve tvaru míčů. Hlad fullerenů po elektronech z nich dělá výkonné akceptory. Pak se pozornost soustředila na donory. Do roku 2012 se díky použití nových polovodičových polymerů v této roli podařilo zvýšit účinnost organických panelů na 12 procent.

Obor ovšem v té době začal mít namále. Na scéně se objevila konkurenční tenkovrstvá solární technologie: perovskity.

Perovskity jsou směsi organických a anorganických sloučenin, které jsou levné na výrobu, snadno se zpracovávají a skvěle zachycují sluneční světlo a přeměňují ho na elektřinu. Účinnost perovskitů prudce vzrostla z přibližně 6,5 procenta v roce 2012 na přibližně 24 procent v roce 2020. Grantové agentury zapomněly na organické panely a výzkumníci se vrhli na horkou novinku.

Ovšem perovskity se stále nedaří vyrábět tak, aby v panelech vydržely dlouhé roky, navíc obsahují nezanedbatelné množství olova, a to ve velmi toxické formě. A tak nadšení trochu opadlo – a naopak v oboru organických článku se objevila řada zajímavých inovací.

V roce 2015 vědci pod vedením Siao-weje Čana, materiálového vědce z Pekingské univerzity, ohlásili první z nové třídy nefullerenových akceptorů. Ačkoli fullereny dobře chytaly a přenášely elektrony, špatně pohlcovaly sluneční světlo. Na molekulární úrovni vypadala Čanova nová sloučenina (známá jako ITIC) jako prodloužený olympijský symbol s dalšími kruhy a dobře zvládala obě úlohy, nejprve pohlcovala červené a infračervené světlo a poté transportovala elektrony, jakmile se excitony rozdělily.

První Čanův přístroj NFA měl pouze asi 7% účinnost. Chemici po celém světě však začali rychle vylepšovat strukturu ITIC a vytvářet jeho vylepšené verze. Do roku 2016 nové materiály zvýšily účinnost na 11,5 procenta. Do roku 2018 na 16 procent. Letos jiný čínský tým oznámil, že vyrobil článek s účinností těsně přes 19 procent.

Odstup v účinnosti mezi křemíkovými a organickými články by pak byl minimální. Ovšem křemíkové solární články již dnes ovládají trh v hodnotě 85 miliard dolarů ročně, mají 30letou historii a prokázaly své vlastnosti v praxi. Organické panely jsou stále „exotická zvláštnost“. Přímo soutěžit s křemíkovými články tedy v dohledné době nemohou.

Nabízí se ovšem aplikace, pro které se křemík prostě nehodí. Jednou jsou třeba fólie na stěnách či fasádách budov. S tímto produktem má Heliatek největší úspěch: i když její panely přišly na trh v roce 2021, rozšiřuje firma výrobu tak, aby mohla ročně vyrobit zhruba dva miliony metrů čtverečních panelů.

V jiných částech trhu se snaží uspět švédská společnost Epishine, prodává organické články, které fungují v interiéru a mohou nahradit jednorázové baterie v drobných zařízeních od termostatů po automatické ovládání osvětlení. Americké startupy Ubiquitous Energy a NextEnergy vyvíjejí články na okna, která primárně zachycují infračervené fotony a zároveň propouštějí viditelné světlo.

Americký Úřad pro námořní výzkum (ONR) se zaměřuje na využití organických článků [JP1] pro stany, batohy a další vybavení vojáků na cestách. Ozbrojené síly chtějí pro vojáky něco, co lze nosit na frontu. V oblasti „energie na cesty“ se organickým panelům obecně věští zajímavá budoucnost.

„Já si vzpomínám, jak mě v 80. letech můj školitel lákal ke studii organických článků vizí fotovoltaické barvy, kterou si natřete střechu a budete vyrábět elektřinu,“ vzpomíná Jiří Pfleger. Takovou technologii stále považuje za možnou, ale nebude to hned.

Aby se však organické články staly významným zdrojem zelené energie, budou se muset vyrovnat svým konkurentům nejen v účinnosti, ale také v trvanlivosti – a to je zatím podstatně náročnější úkol. K dosažení vhodných výkonů v této oblasti bude stále zapotřebí přijít s novými řešeními v konstrukci článků i jejich výrobě.

Ta nejúčinnější zařízení současnosti existují pouze jako prototypy velikosti poštovní známky v laboratoři. Teoreticky je rozšíření výroby na panely o velikosti 1 m2 jednoduché. Tvoří je organické látky, které lze připravit v tekuté formě (rozpustit v rozpouštědlech), a pak je tisknout na velké plochy.

To ovšem není triviální úkol. Prostor pro vady a nepřesnosti je malý. Každá vrstva takového tištěného článku musí být co nejdokonalejší, protože jinak začne celková účinnost rychle klesat.

Jak jsme také už uváděli, nabuzené částice – excitony - v článcích putují pouze na velmi malou vzdálenost. A tak mají články složitou strukturu – v podstatě obsahují vzájemně se proplétající síť donoru a akceptoru. A protože excitony putují na tak krátké vzdálenosti, vlákna těchto sítí musejí být extrémně tenká – jedině takto vzniklý náboj nezanikne bez užitku.

Velikou otázkou je, zda si články mohou udržet takto složitou strukturu roky či desetiletí. Už dnes je jasné, že u některých rekordních článků se struktura (a tedy ani účinnost) neudrží. „Já si myslím, že v případě organických panelů je téměř nemožné, aby vydržely 20 let například na střeše,“ říká Jiří Pfleger. Podle něj by na vlastnosti takových panelů měly nepříznivý vliv i teploty, kterým panely na domech jsou během léta běžně vystavovány.

Problém je to především pro některé nové materiály, které se skládají z malých molekul, jež mohou v materiálu snadno měnit pozici. I tady se rýsuje možnost řešení: vytvořit z těchto látek dlouhé řetězce a ty pak třeba ještě vzájemně propojit (sesíťovat) a tak je udržet na místě.

Dalším problémem je vliv ultrafialového záření. Na slunečním světle mohou organické látky v solárních článcích degradovat podobně, jako se naše kůže spálí během dne stráveného na pláži. Jednou z možností řešení je „opalovací krém“ pro články – tenké vrstvy oxidu zinečnatého pohlcujícího UV záření, které v testech zrychleného stárnutí prodloužily životnost článku až na 30 let. Je to pro obor zajímavá novinka, ale stále nevyzkoušená.

Závěr udělejme trochu optimističtější. V jednom dnes hodně zmiňovaném ohledu totiž mají organické články již nyní jasnou výhodu oproti téměř každé jiné technologii výroby energie: velmi nízkou uhlíkovou stopu.

Při hodnocení panelů společnosti Heliatek německý zkušební institut TÜV Rheinland dospěl k závěru, že na každou kWh elektřiny, kterou panely společnosti vyrobí, se při jejich výrobě, provozu a případné likvidaci uvolní nejvýše 15 gramů oxidu uhličitého. U křemíkových panelů (k jejichž výrobě je zapotřebí množství tepla) dosahuje stejný ukazatel hodnoty zhruba 50 gramů CO2/kWh. I při své nízké účinnosti vyprodukují panely společnosti Heliatek za svou životnost více než stonásobek energie, než kolik bylo zapotřebí jejich výrobě a instalaci.

Není to rozhodně zdroj, na kterém bychom dnes mohli postavit energetiku, ale i současná situace nám ukazuje, že domácí výroby energie není nikdy dost. A organické články doslova byste mohli mít doma: na střechách, zdech i oknech. Kdo by to odmítl, když cena bude příznivá?