Perovskity a mikrodrážky mohou přinést revoluci v solární energetice. Ambiciózní cíle pro výrobu solární energie představují výzvu pro průmysl, který chce prozkoumat nové cesty výroby solární energie. Neil Spann, výkonný ředitel britského výrobce tenkovrstvých solárních panelů Power Roll, popisuje komerční řešení problémů spojených s přílišnou závislostí na křemíkových solárních modulech.
S rostoucím podílem solární energie v energetickém mixu se objevuje problém s převahou křemíku při výrobě panelů. Křemík tvoří 95 % ze 14 GW kapacity výroby solárních modulů instalovaných ve Velké Británii. Tento solární park zajišťuje pouze 4 % poptávky po energii ve Spojeném království. Vládní energetická strategie z roku 2022 požaduje do roku 2035 pětinásobné zvýšení solární kapacity na 70 GW. Avšak hledání křemíkových solárních zdrojů pro dalších 56 GW představuje významné etické, ekonomické a bezpečnostní důsledky. Tato perspektiva podněcuje výzkum alternativ, do něhož vstupují perovskity.
Výroba křemíkových panelů je nákladná a složitá. Spojené království totiž nemá významnou kapacitu na výrobu křemíkových solárních panelů, a tak i nadále budou závislí na dovozu. Jak se svět v poslední době přesvědčil, geografická koncentrace globálních dodavatelských řetězců představuje problém v oblasti energetické bezpečnosti a logistiky. Výroba solárních panelů má vysokou uhlíkovou stopu a průměrná doba návratnosti křemíkových solárních panelů – doba, po kterou musí panel vyrábět elektřinu, než se vyrovnají emise uhlíku, které jeho výroba způsobí – se pohybuje mezi 300 a 350 dny.
Rovněž tuhost a objem křemíkových solárních panelů obvykle omezuje jejich použití na solární farmy umístěné na zemi a instalaci na nosných střechách. Například pro gigawatt solární výrobní kapacity potřebujete přibližně 2,5 milionu panelů. K dosažení požadovaných 70 GW do roku 2035 bude zapotřebí masivní zábor půdy. Není divu, že Mezinárodní energetická agentura vyzývá k diverzifikaci výroby fotovoltaických článků.
Potřebná revoluce – perovskity?
O možné využití perovskitů pro výrobu solární energie je zájem již dlouho. Hlavně díky supravodivým a elektronickým vlastnostem pozorovaným u krystalů, které se hojně vyskytují v zemském plášti. Naděje na revoluci v energetice? Skutečnost, že levně dostupné perovskity mají pozoruhodné vlastnosti pro absorpci světelných fotonů za účelem vytvoření toku elektronů a výroby elektřiny, staví tento materiál do pozice ideálního kandidáta na nahrazení křemíku při výrobě solární energie.
Vzhledem k velkému zájmu o perovskity hledají podnikaví výrobci inovativní způsoby, jak je začlenit do výroby fotovoltaických článků. Společnost Power Roll není výjimkou. Patentovali techniku, která aplikuje perovskity na pružný a lehký substrát: polyethylentereftalát (PET) – průmyslovou termoplastickou fólii. Na substrát PET vyrazili malé kanálky ve tvaru písmene V nebo „mikrodrážky“, které nejsou širší než jeden nebo dva mikrony.
Mikrodrážky roll-to-roll
Přinesou mikrodrážky potřebnou revoluci? Mikrodrážky se tisknou velmi přesně na tepelně stabilizovaný PET pomocí procesu roll-to-roll. Tím vytvářejí vodivé dráhy. Ty navrhli tak, aby optimalizovaly tok elektronů a „vyladily“ elektrický výkon solárního modulu. Stěny mikrodrážek potáhli kovy jako elektrody a následně oxidovou vrstvou, která funguje jako vrstva pro přenos elektronů (ETL) a vrstva pro přenos děr (HTL). Perovskitový inkoust vytisknou do drážek nad vrstvami ETL/HTL, čímž vzniká ultratenký, flexibilní solární článek neboli „solární film“, který je 100krát tenčí než křemíkové solární panely.
Výroba „roll-to-roll“ je jednoduchý a škálovatelný proces, který se používá v jiných nízkonákladových odvětvích, jako jsou například obaly, a je klíčem k nízkým nákladům na solární fólie. Důležité je, že se při něm vynechává několik výrobních kroků, které jsou součástí jiných flexibilních fotovoltaických technologií.
Po nanesení perovskitového inkoustu a žíhání – což je zahřívací proces, který napomáhá poddajnosti – se na vrchní stranu v kontinuálním procesu nanese bariérová fólie s tlakovým lepidlem, která chrání vykrystalizovaný perovskit. Další bariérové fólie a zadní fólie mohou aplikovat buď tlakovou, nebo vakuovou laminací.
Za účelem výzkumu poměru nákladů a trvanlivosti prováděla společnost Power Roll v posledních šesti měsících týdenní testy různých typů bariérových fólií a laminací, které vystavovali vnějším podmínkám. To ukázalo, že fólie s vysokými náklady na bariéry a vakuovou laminací nevykazují žádné zhoršení vlastností. Zatímco fólie s nízkými náklady na bariéry a tlakovou laminací byly na okrajích postiženy. Další testování probíhá.
Metodika společnosti Power Roll umožňuje vyrábět perovskitové fotovoltaické panely s pětkrát nižšími výrobními náklady – a až desetkrát kratší uhlíkovou návratností – než tradiční křemíkové solární panely.
Toto revoluční řešení má široké spektrum použití
Kombinace mikrodrážek a perovskitů vytváří flexibilní, lehkou a účinnou solární fólii za zlomek ceny křemíkových solárních panelů. Flexibilní povaha a jednoduchý proces instalace znamená, že perovskitové solární fólie lze instalovat v situacích, kdy nelze nasadit křemíkové solární panely. Lze je například integrovat do oken, žaluzií, vozidel, střech s nízkým zatížením a svislých povrchů. Zatímco farmy solárních panelů zabírají značné množství zelených ploch, perovskitová fotovoltaika může využít plochy, které již byly zastavěny pro komerční nebo domácí využití.
Největší trh se solárními fóliemi je na komerčních a průmyslových střechách. Pouhá čtvrtina z 2,5 miliardy čtverečních metrů střech ve Velké Británii orientovaných na jih by mohla vyrábět 30 % britské potřeby energie. Perovskitové fotovoltaické fólie lze levně a ve velkém měřítku instalovat na nekonstrukční střešní plochy, což Spojenému království pomůže splnit jeho cíle v oblasti energetické bezpečnosti a nulové spotřeby.
A příležitosti pro lehké solární fólie přesahují hranice Spojeného království. Výrobní proces je snadno replikovatelný. Může být licencován celosvětově, což pomůže urychlit zavádění solární energie. Vzhledem k tomu, že na méně než 2 % střech na světě umisťují solární instalace, je zde obrovská příležitost pro lehké a levné perovskitové fotovoltaické fólie. Solární fólie je univerzální a má potenciál pro integraci na střechy a na širokou škálu povrchů. Pomůže zlepšit dostupnost výroby čisté energie v oblastech světa, kde v současnosti chybí významná infrastruktura pro obnovitelné zdroje energie. Očekává se, že perovskitovou fotovoltaiku uvedou na trh již v příštím roce a do roku 2025 se rozšíří, a slibuje revoluci v solárním odvětví.
Zdroje: pv-magazine, TowPoint
