Vývoj účinnosti fotovoltaických článků na pomezí dvou století
Možnost využití sluneční energie dopadající na Zem prostřednictvím fotovoltaický panelů všichni dobře známe. Víte ale také, jaká je jejich historie? A že sahá možná ještě dál, než jste si mysleli? V našem článku vám přinášíme hned několik zajímavých informací k tomuto tématu, i náhled na budoucnost solární energie.
Historie fotovoltaického článku
Získávání elektřiny přeměnou energie ze slunečního záření, tedy fotovoltaika, je jedním z výrazných globálních trendů na poli obnovitelných zdrojů, který zde existuje již více jak 180 let. Jste překvapení? Solární fotovoltaika byla vlastně poprvé použita už v roce 1839 francouzským fyzikem Alexandrem Edmondem Becquerelem, který při svém experimentu s kovovými elektrodami a elektrolyty objevil to, že sluneční světlo může být přeměněno na elektřinu. Další kroky na tomto poli přišly v následujících letech, kdy v roce 1873 provedl Willoughby Smith objev fotovoltaického jevu v selenu. A jistý typ fotovoltaického článku byl o deset let později vyroben Charlesem Frittsem. Jeho účinnost byla ovšem velmi nízká - pouhé 1 %. První křemíkové solární články byly sestaveny až v roce 1918 polským vědcem Janem Czochralskim, který zjistil, že monokrystalický křemík může být použit pro výrobu solárních článků.
POZN. Křemík je nejdůležitější polovodič, využívaný při výrobě FV článků dodnes. Vzhledem k jeho vysokému zastoupení v zemské kůře je na trhu poměrně snadno dostupnou, a tím pádem i levnou komoditou.
Posun díky cestám do vesmíru
Obrovský skok a pokrok v oblasti využití solární energie přišel v 50. letech 20. století díky oboru, který až dodnes posunuje hranice lidského technologického poznání kupředu – tím samozřejmě myslíme kosmonautiku. Fotovoltaické články na bázi křemíku totiž obsahovaly vesmírné družice, které tak získávaly veškerou svou energii.
Tyto skutečně první relativně výkonné FV články byly ovšem velmi nákladné. S postupem času se ale jejich výkon zvyšoval, zatímco náklady klesaly. V roce 1955 představila divize Hoffman Electronics-Semiconductor Division FV články s účinností pouze 2 % a náklady na energii 1 785 $ / Watt. V průběhu následujících let byla účinnost zvyšována postupně z 8 %, 10 % až na 14 % v 60. letech 20. století. V roce 1985 pak byli vědci z australské University of New South Wales schopni postavit solární článek, který měl účinnost vyšší než 20 %.
Prudký rozvoj na přelomu druhého tisíciletí
Od počátku 21. století pak tato účinnost rostla, stále roste, a i výhled do budoucna naznačuje, že by tomuto pozitivnímu vývoji nemělo nic stát v cestě.
Trendy fotovoltaiky byly v roce 2011 odvislé od ceny FV modulů 1,5 EUR za Wp (watt peak), čehož bylo možné dosáhnout zlevněním technologií a materiálů při výrobě článků. Přelomové byly především roky 2000 – 2010, kdy se postupně snižovala energie pro výrobu polykrystalického křemíku, i jeho spotřeby pro nové FV články. Zjednodušeně řečeno, články a moduly tak mohly vyrábět více energie při spotřebě stejného množství materiálu, tedy krystalického křemíku, případně reagovat změnou technologie na mnohem tenčí produkty z amorfního křemíku.
Následující graf ukazuje data shromážděná National Renewable Energy Laboratory (NREL), která ukazují vývoj účinnosti pro různé solární fotovoltaické technologie. Můžeme v něm vidět, že v laboratorních podmínkách byly v experimentálním nastavení Sharp a NREL získány hodnoty s účinností až 47 %. A dále třeba i informaci o tom, že většina technologií s účinností vyšší než 25 % byla vyvinuta soukromými korporacemi jako jsou Boeing, Panasonic a Sharp. Tento náskok je nejspíše zapříčiněn finančními prostředky, kterými disponují, a díky tomu je zde větší potenciál k maximalizaci zisku a snižování nákladů.
Současnost
Dnes dodavatelé energií nabízejí panely s výkonem 400 Wp. Průměrná roční produkce bývá okolo 5 MWh. Ještě v roce 2018 se přitom mezi špičkové výkony řadily panely mezi 270 Wp a 300 Wp.
FV články se ale nevyrábí pouze z křemíku. Současné technologie navíc umožňují i výrobu pružných ohebných panelů. Dalším prvkem, využitým pro jejich výrobu je oxid titaničitý nebo dále perovskit. Vědecké výzkumy uvádějí u křemíku limit efektivity 29 %, u perovskitu je to dokonce 33 %, i když tato hodnota neplatí pro reálné podmínky. Tam se totiž drží ještě níže, tedy na necelých 23 %.
Perovskitové články od roku 2019 poprvé nabízela polská startupová firma Saule Technologies, jejíž produkty měly mít účinnost 10 % (50 EUR za m2, náklady na energii jsou zhruba 0,05 EUR na 1kWh). Jedním z prvních uživatelů této moderní technologie je společnost SKANSKA, která články využije na jedné ze svých kancelářských budov.
Vizualizace budovy SKANSKA s poloprůhlednými solárními články z perovskitu. Zdroj: Property Forum
Dva níže uvedené grafy nám pak ukazují průměrnou účinnost fotovoltaických systému a investiční náklady v průběhu času pro: krystalický křemík, tenkovrstvé technologie a koncentrátorový systém. U všech těchto tří typů se jejich účinnost postupně zvyšuje. Nejlepších výsledků v tomto směru pak jasně vykazuje koncentrátorový systém.
.jpg)
POZN. Koncentrátorový systém je jednou z možností, jak zvýšit účinnost FV systémů dodáváním koncentrovaného slunečního svitu na FV články. Toho lze docílit pomocí optických kolektorů, jakými jsou čočky nebo zrcadla. V praxi u tohoto systému dochází k shromažďování světla a jeho koncentraci na menší oblast solárního článku.
