Miniaturní zlaté struktury mění pravidla hry v solární energetice
Vědci z Korea University sestavili drobné samouspořádávající se útvary ze zlata, schopné zachytit téměř celé využitelné sluneční spektrum. Pokud tato technologie obstojí v podmínkách mimo laboratoř, může zásadně přetvořit trh s obnovitelnými zdroji energie.
Slunce posílá každou sekundu na Zemi obrovské množství energie – výrazně víc, než celá civilizace spotřebuje za stejnou dobu. Přesto běžné fotovoltaické panely z tohoto záření využijí jen nepatrný díl.
Nejlepší komerčně dostupné monokrystalické křemíkové panely dnes dosahují účinnosti přibližně 20–22 procent. Z veškeré energie, která dopadne na střešní modul, se na elektřinu přemění jen zhruba pětina. Zbytek se rozplyne v podobě odraženého světla nebo zbytečného tepla.
Fyzikální strop, který vědci roky hledají způsob, jak překonat
Nejde o pochybení konkrétního výrobce. Stojíme před fyzikální hranicí označovanou jako Shockley-Queisserův limit. Křemík dokáže efektivně zpracovat jen úzký výsek slunečního spektra. Záření jiných vlnových délek materiálem prochází, odráží se nebo článek zbytečně zahřívá, místo aby uvolňovalo elektrony. Hledání způsobu, jak tuto bariéru překonat a z každého metru čtverečního panelu získat znatelně více elektřiny, zaměstnává výzkumníky po celém světě již dlouhá léta.
Jak se zlaté nanočástice chovají jinak než klasický kov
Vědci experimentují se zlatem v nanometrickém měřítku od začátku 21. století, protože v takto malých rozměrech se zlato chová zcela odlišně od klasického kovového slitku. Klíčový jev se nazývá lokalizovaná povrchová plazmonová rezonance, zkráceně LSPR.
Když světlo dopadne na zlatou nanočástici, elektronový oblak na jejím povrchu začne vibrovat na frekvenci, při níž částice světlo nejen odráží, ale velmi účinně pohlcuje. Chová se jako miniaturní anténa naladěná na konkrétní vlnovou délku.
Jenže tu je jeden háček. Každá jednotlivá nanočástice reaguje hlavně na úzký rozsah barev, který závisí na její velikosti. Jedna zachytí lépe blízké infračervené záření, jiná zelené nebo červené světlo. Osamocená částice je tedy vynikající absorbér, ale pouze pro malý výsek slunečního spektra. Právě proto hledali vědci z Korea University způsob, jak sestavit strukturu zachycující celé využitelné spektrum najednou.
Supraballs: desítky nanočástic různých velikostí spojené do jediné koule
Tým z Korea University se rozhodl tuto slabinu proměnit ve výhodu. Namísto práce s jednotlivými nanočásticemi jedné velikosti spojili vědci mnoho částic různých rozměrů do jediné větší koule. Tyto struktury pojmenovali supraballs.
Myšlenka je elegantně jednoduchá. Každá nanočástice uvnitř koule má jiný rozměr, a proto se ladí na jinou vlnovou délku. Celá koule díky tomu pohltí světlo z širokého pásma spektra – od kratších vlnových délek až po blízké infračervené záření.
Navíc tyto struktury vznikají samovolně. Za správných chemických podmínek se zlaté nanočástice spontánně uspořádají do kuliček, aniž by bylo třeba složitých montážních zařízení nebo litografie. Proces v praxi probíhá takto:
- nejprve se připraví roztok obsahující zlaté nanočástice různých velikostí
- pomocí kontroly podmínek jako koncentrace nebo teplota se vyvolá samoorganizace
- částice se spojí do stabilních vícekomponentních koulí – supraballs
- výslednou suspenzi s kuličkami lze nanést jako nátěr na povrch zařízení
- vysoká hustota různě velkých částic v jedné kouli zajišťuje pokrytí širokého spektra
- stabilita struktur umožňuje opakované použití bez ztráty funkčnosti
Před samotnými experimenty provedli badatelé pokročilé numerické simulace. Chtěli zjistit, jaký průměr by kuličky měly mít, jak rozložit velikosti komponentních nanočástic a jak hustě je uspořádat, aby absorpce dosáhla maxima. Počítačové modely předpovídaly, že dobře navržené supraballs dokážou pohltit více než 90 procent energie v užitečném rozsahu slunečního spektra – úroveň, o níž si klasické struktury z jednotlivých nanočástic mohou jen nechat zdát.
V laboratoři zachytily zlaté kuličky téměř dvojnásobek energie
Po sérii simulací přišel čas na experiment. Výzkumníci nezačínali rovnou u fotovoltaického panelu, nýbrž u komerčně dostupného termoelektrického generátoru – zařízení přeměňujícího teplotní rozdíl na elektrickou energii.
Na jeho povrch nanesli kapalinu se supraballs. Po zaschnutí vznikla tenká zlatá vrstva. Celé zařízení pak ozářili v kontrolovaných podmínkách pomocí speciálního LED simulátoru napodobujícího sluneční spektrum.
S touto vrstvou zařízení pohltilo přibližně 89 procent dopadajícího záření. Tentýž generátor pokrytý klasickým filmem z jednotlivých zlatých nanočástic zachytil pouhých asi 45 procent energie. Rozdíl je v laboratorních podmínkách ohromující – jde o téměř dvojnásobnou absorpci dosaženou pouhou změnou struktury stejného materiálu, bez potřeby exotických nebo vzácných surovin.
Pro srovnání: tradiční monokrystalické křemíkové panely od předních výrobců dosahují účinnosti kolem 22 procent. Pokud by zlaté nanokuličky dokázaly takový skok v absorpci přenést i do reálného provozu na střechách budov, šlo by o skutečnou revoluci v energetice. Sami vědci ale zůstávají opatrní a zdůrazňují dlouhou cestu od laboratorního prototypu k masové výrobě.
Proč zlaté kuličky nemusí být tak drahé, jak to na první pohled vypadá
Myšlenka zdokonalovat panely pomocí drahého kovu může zpočátku znít absurdně. V nanometrickém měřítku je ovšem situace jiná. Zlato má mimořádně stabilní chemické vlastnosti – neoxiduje se jako stříbro a zachovává velmi výrazný plazmonický efekt.
Podstatné je, že množství kovu je zanedbatelné. Hovoříme o ultratenkých vrstvách neviditelných pouhým okem. Náklady na materiál mohou být v praxi přijatelné, pokud díky nim panely vyprodukují znatelně více energie ze stejné plochy střechy nebo solární farmy.
Až technologie dozraje, dá se teoreticky kombinovat nejen s klasickým křemíkem, ale i s novějšími generacemi článků – například tandemovými strukturami křemík plus perovskity, jež již dnes slibují překročení 30procentní účinnosti. Výzkumníci pracující na podobných hybridních řešeních věří, že budoucnost fotovoltaiky leží právě v kombinaci různých přístupů.
Badatelé rovněž zkoumají, zda by místo zlata nešly použít levnější kovy s podobnými plazmonickými vlastnostmi, například hliník nebo měď. Žádný z nich ale zatím nenabízí srovnatelnou stabilitu a účinnost jako zlato v nanometrickém provedení.
Jaké překážky čekají zlaté kuličky na cestě na střechy
Zní to jako recept na revoluci ve fotovoltaice, ovšem samotní autoři výzkumu tlumí přehnaná očekávání. Neslibují, že technologie rychle posune účinnost panelů z 20 na 40 procent, ani že supraballs zakoupíte v nejbližším obchodě se stavebninami.
Přechod z vědecké publikace k produktu instalovanému na střeše může trvat roky nebo celá desetiletí. Část technologií nikdy laboratoř neopustí – ukáže se jako příliš drahá, příliš komplikovaná ve výrobě nebo jednoduše prohraje s konkurencí. Trh s fotovoltaikou je vyspělý a silně obsazený velkými hráči. Každé nové řešení musí nejen fungovat lépe, ale zároveň se hodit do stávajících výrobních linek, být cenově dostupné, odolné vůči dešti, mrazu i horku a bezpečné pro životní prostředí.
Největší otázky pro nadcházející roky zahrnují:
- zda půjdou supraballs vyrábět masově a opakovatelně bez výrazného zdražení modulů
- jak taková vrstva odolá vlhkosti, smogu, poškrábání a dlouhodobému působení UV záření
- jestli použití zlata, i v nanometrických množstvích, nepředstaví nákladové úzké hrdlo pro velké solární farmy
- jak tyto struktury integrovat s klasickým křemíkem nebo novými perovskitovými články
- zda výrobci projeví zájem o licencování technologie
- jak rychle dokážou výzkumníci přejít z laboratorního měřítka na pilotní výrobu
Pro běžného uživatele záleží především na dvou věcech: kolik elektřiny lze vyprodukovat z dostupné plochy a kolik stojí každý dodatečný watt výkonu. Pokud zlaté nanokuličky umožní panelům na stejné střeše vygenerovat znatelně více energie, stane se investice do fotovoltaiky výhodnější bez nutnosti přidávat další čtvereční metry modulů.
Zlaté nanokuličky mohou najít uplatnění i daleko za hranicemi střech
Z pohledu elektroenergetických sítí znamená vyšší účinnost při stejné ploše lepší využití pozemků pro solární farmy a menší tlak na zabírání nových území. Každé procento účinnosti navíc se promítá do konkrétních megawattů výkonu z téhož pozemku.
Stojí za zmínku, že technologie tohoto typu nezřídka nacházejí nečekaná vedlejší využití. Vrstvy s velmi vysokou absorpcí se hodí do precizních senzorů, malých generátorů pro napájení zařízení internetu věcí nebo do nositelné elektroniky sbírající energii z denního světla po celý den. Výzkumníci již testují podobné aplikace v oblastech od medicínských implantátů po autonomní meteorologické stanice.
Pro každého, kdo sleduje vývoj zelené energie, je příklad zlatých kuliček z Koreje dobrým připomenutím, že potenciál fotovoltaiky zdaleka nekončí výměnou měniče nebo instalací nové řady modulů. Velká část hry je stále čistá fyzika a materiálová věda – a právě tam, v laboratořích, se rozhoduje, jaké technologie dorazí na naše střechy za deset nebo dvacet let.
