Nové materiály pro konverzi sluneční energie
Projekt programu Účinná přeměna a skladování energie Strategie AV21 pro rok 2017
Odpovědná osoba: RNDr. Antonín Fejfar, CSc., Fyzikální ústav AV ČR, v. v. i.
Spolupracující pracoviště: Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR, v. v. i., Ústav termomechaniky AV ČR, v. v. i.
Sluneční záření je jedním z nejdůležitějších zdrojů obnovitelné energie. V současné době nejvíce používaná technologie klasických deskových křemíkových článků již začíná narážet na fundamentální fyzikální limity (současná rekordní účinnost 25,6 % se blíží tzv. Shockley-Queisserově limitu, který pro křemík omezuje účinnost na 29,4 %). Deskové křemíkové články mají relativně dlouhou dobu energetické návratnosti, kterou nelze zkrátit jinak než použitím tenčích desek nebo tenkovrstvých technologií. Křemíkové tenkovrstvé články potřebují cca 100× méně křemíku a i přes nižší účinnost přeměny dosahují cca 2× kratší doby energetické návratnosti. Nicméně jejich nižší účinnost v kombinaci s ostatními náklady (tzv. balance of system, BoS) vedla k jejich vyřazení z trhu.
Mnoho alternativ (CdTe, CuIn(Ga)Se, GaAs a odvozené polovodiče, metylamoniové olovnaté perovskity) ale využívá prvky, které z fotovoltaických článků tvoří potenciálně nebezpečný odpad. Při současném růstu fotovoltaiky k terawattovým výkonům (očekávaným ještě před rokem 2030) je tak nutné věnovat zvýšenou pozornost i jejím možným dopadům na životní prostředí.
Tato situace otevírá příležitosti pro výzkum nových generací tenkovrstvých fotovoltaických článků s vyšší účinností (samozřejmě při zachování nízkých výrobních nákladů). Přes rychlý vývoj v oblasti nových materiálů jsou současné výzkumné aktivity na poli fotovoltaiky spíše roztříštěné, nezacílené a často pouze povrchně sledují módní trendy bez hlubšího průniku do zkoumané problematiky. To se týká jak fundamentálního, tak i částečně aplikovaného výzkumu.
Tento projekt vytváří základ platformy, která umožní tyto nové trendy sledovat, vyhodnocovat a spojovat potenciální výzkumné partnery jak v akademickém, tak i průmyslovém sektoru. Mezi hlavní nové trendy v současné době patří zejména články z nových materiálů na bázi perovskitu. Současně probíhá intenzivní výzkum nanostruktur křemíku a dalších polovodičů. Nové možnosti přináší použití dvourozměrných materiálů.
Možnosti těchto a případných dalších materiálů byly diskutovány i s ohledem na jejich potenciální uplatnění i důsledky (např. škodlivost vůči životnímu prostředí a zdraví člověka) v rámci speciální sekce mezinárodní letní školy Physics at Nanoscale pořádané pod záštitou Mezinárodní unie vakuových technologií (IUVSTA) a věnované problematice nových trendů ve fotovoltaice.
Školy se zúčastnilo 14 zvaných řečníků ze zahraničí, 112 účastníků a 24 zástupců firem. Účastníci byli z celkem 18 zemí. Díky podpoře Strategie AV 21 bylo na témata spojená s konverzí sluneční energie zaměřeno několik přednášek. Kromě toho byl publikován článek v časopisu Vesmír [1], podíleli jsme se na článku na internetovém portálu OSEL.CZ [2] a vystoupili jsme při několika příležitostech s popularizačními přednáškami [3-5].
[1] Nová role tenkých vrstev ve fotovoltaice. Vesmír 96, č. září (září 2017): 490–91
[2] Potenciál využití fotovoltaických zdrojů ve světě a Česku. http://www.osel.cz/9682-potencial-vyuziti-fotovoltaickych-zdroju-ve-svete-a-cesku.html
[3] Antonín Fejfar: „Nanostructures for Photovoltaic Energy Conversion – Czech – French research cooperation“, prezentováno v 1st French-Czech «Barrande» Nano and Advanced Materials Workshop, Brno, 27. duben 2017
[4] Otakar Frank, přednáška pro veřejnost v rámci Fyzikálních čvrtků: 7.12.2017, Klub Aldebaran (ČVUT). https://slideslive.com/38904626/deformace-dvourozmernych-materialu
[5] Antonín Fejfar: „Nanotechnologie na km2 aneb o fotovoltaice v perspektivách“. Přednáška pro veřejnost, prezentováno na konferenci Elixír do škol 2017, Hradec Králové, 13. květen 2017. http://www.nadacedb.cz/elixir-do-skol/konference-2017
