V oblasti obnovitelných zdrojů energie probíhá neustálý závod o to, kdo vytvoří panel, který bude nejen levný, ale především odolný. Perovskity, což jsou materiály s unikátní krystalickou strukturou, mají potenciál překonat i ty nejlepší křemíkové technologie díky své schopnosti absorbovat světlo s neuvěřitelnou efektivitou. Problém však nastává v momentě, kdy se tyto články vystaví reálným podmínkám – vlhkosti, tepu nebo kyslíku. Právě zde přichází na scénu inovativní využití grafenového oxidu.
Problém stability: Proč perovskity dosud „umíraly“ příliš rychle?
Perovskitové solární články jsou fascinující svou jednoduchostí výroby. Na rozdíl od křemíku, který vyžaduje extrémně vysoké teploty a složité procesy, lze perovskity nanášet pomocí levnějších metod, jako je například potahování roztokem. To z nich dělá ideálního kandidáta pro masovou výrobu a využití i na povrchy, které nejsou ideální pro těžké panely, například na okna nebo ohebné povrchy.
Skutečným úzkým hrdlem však byla jejich chemická nestabilita. Tradiční vrstvy, které mají v článku přenášet elektrický náboj (tzv. hole transport layers neboli HTL), často vyžadují přítomnost kyslíku pro správné fungování. To je však paradox, protože kyslík je zároveň jedním z hlavních nepříatelů samotné perovskitové struktury, která se při kontaktu se vzduchem rychle degraduje. Výsledkem byla technologie, která sice excelovala v laboratoři, ale v reálném světě rychle ztrácela výkon.
Podle nedávných zpráv publikovaných v pv magazine se vědcům podařilo najít způsob, jak tento problém vyřešit pomocí redukovaného grafenového oxidu (rGO), který funguje jako stabilizátor a zároveň zlepšuje přenos energie.
Grafenový oxid jako klíč k efektivitě
Inovace spočívá v chemické modifikaci grafenového oxidu. Vědci použili variantu označenou jako GO-COOH, která je funkционаlizovaná karboxylovými skupinami. Tato látka byla použita jako tzv. dopant (dopant) pro materiál zvaný Spiro-OMeTAD, který je v současné době standardem pro přenos náboje v perovskitových článcích.
Jak to funguje v praxi? Proces, který vědci pozorovali, zahrnuje tzv. p-doping. Díky specifickým elektronovým interakcím mezi grafenovým oxidem a transportní vrstvou dochází k zvýšení vodivosti bez nutnosti vystavovat celý článek kyslíku. To je zásadní průlom. Místo toho, aby se materiál „živil“ kyslíkem, který ho následně ničí, využívá delokalizované elektrony grafenového oxidu k vytvoření stabilní a efektivní cesty pro elektrický proud.
Tento proces vytváří robustní spojení na molekulární úrovni, což zajišťuje, že náboj teče hladce od perovskitu k elektrodě. Výsledkem je nejen vyšší účinnost, ale především výrazné prodloužení životnosti celého modulu. Jak uvádí studie v Scienmag, tato metoda umožňuje dosáhnout výkonu, který se blíží nebo i překonává předchozí rekordy, přičemž zachovává stabilitu potřebnou pro komerční využití.
Proč je to důležité pro nás v Evropě a v Česku?
Evropská unie v rámci svých klimatických cílů a strategie Green Deal masivně investuje do rozvoje domácích technologií pro obnovitelnou energii. Cílem je snížit závislost na dovozu technologií z Asie a zároveň dosáhnout energetické nezávislosti. Perovskitové technologie, pokud budou stabilní, nabízejí cestu k:
- Nižším nákladům na instalaci: Lehké a flexibilní panely lze integrovat přímo do staveb (BIPV – Building Integrated Photovoltaics).
- Vyšší energetické hustotě: Efektivnější panely znamenají více energie z menší plochy, což je klíčové pro hustě zastavěná česká města.
- Udržitelnosti: Možnost výroby při nižších teplotách výrazně snižuje uhlíkovou stopu samotného procesu výroby solárních panelů.
Cesta k trhu: Od laboratoře k vaší střeše
I když jsou výsledky v laboratořích nadějné, cesta k masovému prodeji stále vyžaduje překonání škálovatelnosti. Předchozí pokusy ukázaly, že hybridní články mohou dosáhnout účinnosti přes 18 %, což je skvělé číslo, ale pro plnohodnotnou konkurenci křemíku potřebujeme stabilitu na desítky let. Použití uhlíkových elektrod místo drahých kovových, které je nyní díky grafenu snazší, je právě tím krokem, který technologie posouvá z experimentální fáze do průmyslové reality.
Pokud se podaří tyto postupy standardizovat, můžeme očekávat, že se solární technologie stanou součástí nejen solárních parků, ale i běžných materiálů – od fasád budov až po elektroniku nositelných zařízení. Stabilita, kterou přináší grafenový oxid, je chybějícím stavebním kamenem tohoto technologického skoku.
Je perovskitová technologie bezpečná vzhledem k obsahu olova?
Ano, většina vysoce účinných perovskitů obsahuje malé množství olova. Výzkumy se však intenzivně zaměřují na recyklační procesy a na vývoj alternativních, bezolových perovskitů, aby byla zajištěna maximální ekologická bezpečnost.
Budou tyto nové panely dražší než ty současné křemíkové?
Naopak. Hlavním lákadlem perovskitů je právě jejich nízká výrobní cena. Díky možnosti výroby při nižších teplotách a použití levnějších materiálů (jako je právě grafenový oxid a uhlíkové elektrody) by výsledná cena za vyrobený watt měly být nižší než u tradičního křemíku.
Kdy můžeme očekávat první komerční produkty s touto technologií?
Vzhledem k tomu, že se technologie nyní posouvá do fáze řešení stability pro průmyslovou výrobu, je realistické očekávat první pilotní projekty a specializované produkty (například pro elektroniku nebo integraci do budov) v příštích 3 až 5 letech.