Rekordních 31,3 %: Němečtí vědci dosáhli nejvyšší účinnosti přímé přeměny slunečního světla na vodík

O co jde: Přímá cesta ze slunce do nádrže

Vědci z Fraunhofer ISE, jednoho z největších center solárního výzkumu na světě, představili výsledky testování unikátního fotovoltaicko-elektrolytického modulu, který poprvé překonal hranici 31% účinnosti v reálných venkovních podmínkách. Dosavadní rekordy se u srovnatelných integrovaných systémů pohybovaly mezi 20 a 30 procenty — a většinou jen v laboratorním prostředí.

Výzkumný tým vedený fyzikem Frankem Dimrothem, uznávaným odborníkem na vysoce účinné solární články, otestoval prototyp během 13 letních dní na dvouosém solárním trackeru v březnovém až květnovém období roku 2026. Výsledek — 31,3% přeměna sluneční energie na chemickou energii vodíku — byl publikován v dubnu v prestižním časopise Nature Communications Engineering a v květnu oficiálně oznámen veřejnosti.

Kde je hlavní posun oproti současnému stavu? Běžná výroba zeleného vodíku probíhá ve dvou oddělených krocích: solární panely nejprve vyrobí elektřinu, která se přes měniče a výkonovou elektroniku přivádí do samostatného elektrolyzéru. Každý z těchto mezičlánků znamená ztrátu — typicky 5 až 15 procent původní energie. Fraunhoferův přístup tyto mezičlánky odstraňuje úplně.

Jak to funguje: Koncentrované světlo, chytré propojení

Systém nazvaný HyCon pracuje na principu koncentrační fotovoltaiky (CPV). Místo klasických plošných solárních panelů používá pole Fresnelových čoček — optických prvků, které soustřeďují dopadající sluneční světlo do malého ohniska podobně jako lupa. Tam je umístěn čtyřvrstvý polovodičový článek na bázi sloučenin gallia, india, fosforu a arsenu (tzv. III-V materiály).

Tyto články patří k absolutní špičce fotovoltaiky — jejich rekordní účinnost přeměny světla na elektřinu dosahuje 47,6 % (pro srovnání: běžné křemíkové panely na střechách domů se pohybují kolem 20–23 %). Zásadní inovací Fraunhoferova týmu je ovšem to, co se děje poté: vyrobená elektřina nejde do žádného měniče ani regulátoru, ale teče přímo do dvou PEM elektrolyzérů (elektrolyzérů s protonově vodivou membránou) zapojených do série.

„Dosáhli jsme dokonalého elektrického sladění obou technologií — napětí, které solární článek generuje, přesně odpovídá tomu, co elektrolyzér potřebuje k efektivnímu štěpení vody,“ vysvětluje Tom Smolinka, vedoucí oddělení membránové elektrolýzy. Čtyřvrstvý článek vytváří napětí přes 4 volty — dost na to, aby poháněl dva elektrolyzéry v sérii bez jakékoliv dodatečné úpravy.

Celý modul má plochu čoček pouhých 64 cm² (zhruba velikost dlaně), takže jde stále o laboratorní demonstrátor. Přesto už nyní ukazuje, že přímé propojení solárních článků s elektrolýzou je životaschopná cesta.

Čísla, která stojí za pozornost

Při rekordním měření dosáhl koncentrační fotovoltaický článek účinnosti 34,7 % a elektrolyzér 91,1 %. Součin obou hodnot dává výsledných 31,3 %. Systém pracoval při proudové hustotě 368 mA/cm² a napětí článku 3,25 V. Během 107 hodin ostrého venkovního provozu, kdy prošel 13 dynamickými cykly (změnami oslunění), vědci nezaznamenali žádnou degradaci.

Pro srovnání: dosud nejlepší integrované systémy na bázi dvou- a třívrstvých koncentračních článků dosahovaly venku účinnosti kolem 19,8 %. Fraunhoferův skok na 31,3 % představuje nárůst o více než polovinu — to je v oboru, kde se účinnost typicky zvyšuje po jednotkách procent, mimořádný posun.

Výzkumníci zároveň modelovali ekonomiku technologie v komerčním měřítku: pokud by se kapacitní faktor systému (tedy podíl času, kdy zařízení reálně vyrábí) zvýšil na 35 %, mohla by cena vyrobeného vodíku klesnout pod 3 dolary za kilogram. To by zelený vodík přiblížilo konkurenceschopnosti se „šedým“ vodíkem vyráběným ze zemního plynu.

Evropský a český kontext: Proč na tom záleží

Evropská unie si ve své vodíkové strategii vytyčila ambiciózní cíl: do roku 2030 instalovat 40 GW elektrolyzérů a vyrábět 10 milionů tun obnovitelného vodíku ročně. Vyšší účinnost přeměny sluneční energie na vodík znamená při stejném množství slunečního svitu více paliva — a tedy nižší náklady na každou vyrobenou tunu.

Pro Českou republiku, která v roce 2025 schválila vlastní Vodíkovou strategii s výhledem výroby až 40 tisíc tun obnovitelného vodíku do roku 2035, to není vzdálená akademická disciplína. České firmy jako Škoda Transportation, Vítkovice nebo Devinn už dnes vyvíjejí vodíkové autobusy, vlaky a tlakové nádoby. Efektivnější výroba vodíku přímo ze slunce by mohla v budoucnu zlevnit celý hodnotový řetězec.

Zelený vodík je přitom považován za klíčový prvek dekarbonizace odvětví, která nelze snadno elektrifikovat — od ocelářství přes chemický průmysl až po dálkovou nákladní dopravu. Každé zvýšení účinnosti výroby o procento se v celoevropském měřítku promítá do stovek milionů eur ušetřených nákladů.

Cesta od laboratoře k průmyslu: Úskalí a výzvy

Přes nadšené ohlasy je ale nutné zůstat střízlivý. Technologie je nyní na úrovni TRL 3 — tedy pouhý laboratorní důkaz konceptu (škála jde od 1 do 9, přičemž 9 znamená plně komerční produkt). „Jsme teprve na začátku a je těžké říct, jak rychle dokážeme dosáhnout konkurenceschopných systémů,“ přiznává Dimroth.

Hlavní překážky jsou tři:

• Náklady na materiály: III-V polovodičové články jsou drahé — jejich výroba je náročná a masově se používají jen v kosmických aplikacích, kde cena nehraje hlavní roli. Koncentrační fotovoltaika sice snižuje potřebnou plochu článků, ale přináší vlastní náklady na optiku a přesné trackery.
• Vzácné katalyzátory: PEM elektrolyzéry používají jako katalyzátory iridium a platinu — oba kovy jsou vzácné, drahé a jejich globální zásoby jsou omezené. Pro nasazení v gigawattovém měřítku by bylo potřeba dramaticky snížit jejich spotřebu, nebo najít alternativy.
• Dlouhodobá životnost: Zatímco 107 hodin bez degradace je povzbudivé, komerční systémy musí vydržet desítky tisíc hodin. Testování v reálných podmínkách bude trvat roky.

Dimrothův tým už hledá investory pro plánovaný spin-off Clearsun Energy, který by měl technologii převést z laboratoře do průmyslového měřítka. Prvním milníkem by byl pilotní systém — k tomu ale zatím chybí financování.

Kam dál: Další generace slunečního vodíku

Výzkumníci zároveň plánují vylepšit tepelné propojení mezi solárními články a elektrolyzérem. V současném prototypu museli vodu pro elektrolýzu předehřívat externě, protože pasivní přenos tepla z článků nestačil. „V příští verzi bude tepelná vazba výrazně těsnější, takže externí ohřev odpadne úplně,“ slibují autoři studie.

Systém HyCon by se v budoucnu mohl uplatnit zejména v oblastech s vysokou intenzitou slunečního záření, jako je jižní Evropa, severní Afrika nebo Blízký východ — tedy v regionech, kde by solární vodík mohl být nejen ekologickou, ale i ekonomickou alternativou fosilních paliv. A právě tam míří evropské plány na dovoz zeleného vodíku, které počítají s tím, že severní Afrika by do roku 2030 mohla dodávat až 4 miliony tun ročně.

Jisté je jedno: hranice 31,3 % ukazuje, že přímá výroba vodíku ze slunečního světla není jen laboratorní kuriozita. Je to technologie, která má potenciál změnit energetickou mapu Evropy — pokud se podaří přenést ji z univerzitního kampusu do reálného světa.