Drahá výroba solárních článků

Pole běžných solárních článků v Bavorském Arnsteinu produkuje až 12 MW elektrické energie

Dnešní nejlepší solární články z monokrystalů křemíku jsou velmi nákladné na výrobu a obvykle energie spotřebovaná k jejich výrobě převyšuje tu, kterou dodají během své životnosti. Udává se, že výroba jednoho metru čtverečného křemíkových solárních článků spotřebuje 5 gigajoule energie. Jejich účinnost je sice velmi dobrá -- až 30 %, ale výroba je velmi nákladná. Proto se stále více snažíme nalézt levnější způsoby výroby solárních článků založených na jiných principech. Onou alternativou mohou být plastové solární články, články ze "špinavého" křemíku nebo barvivové solární články. Posledně uvedené mají dobrou perspektivu na velké rozšíření, protože teoreticky mohou dosáhnout účinnosti až 33 % a díky nanotrubkám z oxidu titaničitého se nyní výzkumníkům podařilo dosáhnout 13 %, i když v umělých podmínkách při osvětlování UV zářením.

Barvivové solární články byly objeveny v roce 1991 týmem Michaela Graetzela.  Princip jejich funkce je někdy srovnáván s fotosyntézou v rostlinách, protože využívá výměnu elektronů v elektrolytu a přírodní barvivo. Nejvyšší Graetzelem dosažená účinnost výroby elektřiny je 10 %. I přesto zůstávají tyto články spíše laboratorní kuriozitou než běžnou záležitostí, protože se zatím nepodařilo přiblížit k teoretické hranici účinnosti 33 % a bude nutné vyřešit problémy se životností.

Nanotrubky z oxidu titaničitého zvyšují účinnost

Nanotrubky z oxidu titaničitého (Credit: Craig Grimes)

Oxid titaničitý je velmi zajímavý materiál. Je známý pro své samočisticí schopnosti ať již na vanách nebo zdech domů. Nyní se vědci rozhodli použít nanotrubky z něj vyrobené ke zvýšení účinnosti barvivových solárních článků. Ty se skládají z vrstvy elektricky vodivého skla tvořícího kladnou elektrodu, jódového elektrolytu a vrstvy přírodního barviva naneseného na oxidu titaničitém, který je spojen se zápornou elektrodou. Když na článek zasvítí slunce, fotony projdou sklem, elektrolytem a dopadnou na vrstvu barviva. Z něj vyrazí elektron a udělí mu takovou energii, že se oxidem titaničitým pohybuje tak, jako by byl vodivý a dojde na zápornou elektrodu. V barvivu po něm zůstane kladně nabitá díra, která přijme elektron z jódu v elektrolytu. Kladně nabitý jódový iont pak putuje elektrolytem ke kladné elektrodě, kde přijme elektron a cyklus se opakuje.

Oxid titaničitý ve formě nanotrubek pokrytých barvivem má oproti běžné formě malých částic výhodu ve větší ploše, na kterou mohou fotony dopadat, zachytí i fotony o nižší energii (větší vlnové délce), tvar nanotrubek také omezuje vyplňování děr po elektronech jinými vyraženými elektrony a tím se výrazně zvýší efektivita přeměny sluneční energie v elektrickou. Výzkumníci dosáhli účinnosti 3 % při délce nanotrubek 360 nm, ale jelikož jsou schopni vyrobit nanotrubky o délce až 4 tisíce nm, věří, že se jim podaří účinnost výrazně zvýšit až k hranici 15 %.

Budoucnost solárních článků
Solární články jsou velmi slibným zdrojem energie pro rozklad vody na vodík a kyslík do palivových článků vozidel budoucnosti. Jako zdroj elektřiny v spotřebitelské síti se nehodí, protože produkují stejnosměrný proud jehož konverze na střídavý je spojena s dalšími energetickými ztrátami, čímž se velmi snižuje výsledná účinnost. Například monokrystalické křemíkové články tvoří stejnosměrný proud s účinností 30 %, ale po přeměně na střídavý je to pouhých 17 %. Elektrolýza vody pro shromažďování vodíku vyžaduje proud stejnosměrný, proto jsou pro tento účel solární články vhodnější než jiné zdroje. V budoucnosti nebudeme muset jezdit s autem na vodíkovou pumpu, ale připojíme si k autu za slunečného dne vlastní solární články a dostatek paliva si sami vyrobíme.

Další informace
Titania nanotubes create potentially efficient solar cells (8. 2. 2006) - Článek o využití nanotrubek z oxidu titaničitého v barvivových solárních článcích
Dye-sensitized solar cells - Popis barvivových solárních článků na encyklopedii Wikipedia

Autor píše weblog o vědě a technice Techblog.