Technologie

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.

Vývoj účinnosti fotovoltaických článků na pomezí dvou století
Vývoj účinnosti fotovoltaických článků na pomezí dvou století

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.

Fotovoltaika

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 %.

Klepiš: Návratnost u fotovoltaických panelů od E.ONu nám vychází i na 8 let

počet hlasů: 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.

Fotovoltaické panely: Vše důležité, co o nich potřebujete vědět

počet hlasů: 11

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.

Graf NREL

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 %.

Fotovoltaický ohřev vody: Vyplatí se?

počet hlasů: 8

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.

Budova Skanska

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.

Účinnost FVE

cena FVE

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.