Vedci vyvinuli ultratenké transparentné solárne články, ktoré sú približne 10 000-krát tenšie ako ľudský vlas a 50-krát tenšie ako konvenčné perovskitové solárne články. Napriek minimálnej hrúbke dokážu premieňať svetlo na elektrinu a zároveň prepúšťať časť viditeľného svetla.
Perovskitový solárny článok. Zdroj: Nanyang Technological University
Solárna energia dnes väčšine ľudí pripomína veľké tmavé panely na strechách domov alebo rozsiahle solárne farmy v krajine. Vedci však čoraz intenzívnejšie pracujú na úplne inej vízii budúcnosti – takej, v ktorej sa zdrojom elektriny stanú bežné povrchy okolo nás. Okná mrakodrapov, sklá áut, fasády budov či dokonca inteligentné okuliare by jedného dňa mohli nenápadne premieňať slnečné svetlo na energiu.
Významný krok týmto smerom predstavili výskumníci z Nanyang Technological University (NTU) v Singapure. Vyvinuli ultratenké polovodičové solárne články, ktoré sú približne 10 000-krát tenšie ako ľudský vlas a zostávajú čiastočne priehľadné. Napriek extrémnej tenkosti dosahujú jedny z najlepších parametrov vo svojej kategórii.
Vedci veria, že podobné technológie môžu zásadne zmeniť spôsob, ako mestá vyrábajú energiu. Namiesto budovania nových elektrární by sa totiž mohli na zdroj energie postupne meniť samotné budovy. Výskumný tím NTU pod vedením docentky Annalisy Brunovej publikoval svoje zistenia v časopise ACS Energy Letters.
Solárna energia ukrytá v skle
Nové články využívajú materiál nazývaný perovskit. Ide o mimoriadne perspektívnu triedu materiálov, ktorá v posledných rokoch spôsobila revolúciu vo výskume fotovoltiky. Kým klasické kremíkové panely vyžadujú pomerne hrubé vrstvy materiálu a energeticky náročnú výrobu, perovskity dokážu efektívne absorbovať svetlo aj vo veľmi tenkých vrstvách.
Práve to umožnilo vedcom vytvoriť články hrubé iba niekoľko desiatok nanometrov. Pre predstavu – ľudský vlas má priemer približne 80-tisíc až 100-tisíc nanometrov. Niektoré vrstvy nového článku pritom dosahujú hrúbku iba 10 nanometrov.
Dôležité je, že články zostávajú polopriehľadné a farebne neutrálne. To znamená, že sa môžu integrovať do okien alebo fasád bez výrazného narušenia vzhľadu budovy. Architekti a developeri podobné riešenia dlhodobo hľadajú, pretože klasické solárne panely často narážajú na estetické alebo priestorové limity.
Tím výskumníkov z NTU s ultratenkými perovskitovými solárnymi článkami. Zdroj: Nanyang Technological University Singapore
Mrakodrapy ako elektrárne
Moderné mestá spotrebujú obrovské množstvo energie a zároveň ponúkajú obrovské množstvo nevyužitých sklenených plôch. Výškové budovy majú často fasády tvorené prevažne sklom, ktoré dnes slúži iba ako pasívny stavebný prvok.
Transparentné solárne články by mohli túto situáciu zmeniť. Podľa výskumníkov by veľké kancelárske budovy dokázali v budúcnosti vyrobiť stovky megawatthodín elektriny ročne priamo zo svojich okien.
Technológia má navyše jednu veľkú výhodu oproti klasickým panelom – dokáže vyrábať energiu aj z nepriameho a rozptýleného svetla. V hustej mestskej zástavbe totiž budovy často blokujú priame slnečné žiarenie, no perovskity si dokážu poradiť aj s oblačnosťou alebo odrazeným svetlom. Práve preto vedci hovoria o takzvanej vertikálnej fotovoltike, teda o využití stien a okien namiesto tradičných strešných panelov.
Budovy budúcnosti by sa mohli zmeniť na vertikálne elektrárne. Transparentné solárne články integrované do fasád a okien by umožnili mrakodrapom vyrábať časť energie priamo v centre miest. Zdroj: iStock/Adrien Schwab
Extrémne tenké vrstvy bez toxických rozpúšťadiel
Výroba nových článkov prebieha pomocou procesu nazývaného tepelná evaporácia. Materiály sa vo vákuovej komore zahrejú, odparia a následne sa ukladajú na povrch vo forme ultratenkých vrstiev.
Táto metóda má viacero výhod. Umožňuje vytvárať mimoriadne rovnomerné vrstvy a zároveň eliminuje potrebu toxických chemických rozpúšťadiel, ktoré sa používajú pri mnohých dnešných perovskitových článkoch.
Vedci tvrdia, že ide o jeden z prvých prípadov, keď boli ultratenké perovskitové články vyrobené kompletne vákuovou technológiou vhodnou aj pre priemyselnú výrobu. To je mimoriadne dôležité, pretože práve prechod z laboratória do tovární býva najväčším problémom nových materiálov.
Solárne okuliare a samonabíjacie automobily
Možnosti využitia transparentných článkov sú prekvapujúco široké. Výskumníci spomínajú napríklad automobilové sklá, panoramatické strechy elektromobilov či inteligentné okuliare. Predstava auta, ktoré si počas parkovania samo dobíja batériu cez okná, ešte donedávna pôsobila futuristicky. Dnes však podobné koncepty začínajú získavať reálne technologické základy.
Ďalším smerom sú nositeľné zariadenia. Inteligentné hodinky, senzory alebo AR okuliare dnes narážajú na obmedzenú výdrž batérií. Ultratenké transparentné články by mohli časť energie získavať priamo z okolitého svetla bez potreby výrazne väčších batérií.
Nejde o nový nápad
Myšlienka priehľadných solárnych panelov fascinuje vedcov už viac ako desaťročie. Už v roku 2014 výskumníci z Michiganskej štátnej univerzity predstavili transparentný luminiscenčný koncentrátor, ktorý zachytáva ultrafialové a infračervené svetlo, zatiaľ čo viditeľné svetlo prepúšťa.
Iné tímy experimentovali s ultratenkými vrstvami zlata, striebra alebo dvojrozmerných materiálov. Výskumníci z Pensylvánskej štátnej univerzity napríklad vyvinuli transparentné elektródy z ultratenkých kovových vrstiev, ktoré zvyšujú efektivitu polopriehľadných článkov. Juhokórejský tím z UNIST zas predstavil transparentné kremíkové články, ktoré dokázali priamo nabíjať smartfón zo skleneného povrchu.
Transparentné solárne články majú aj zásadný problém: fyziku nemožno oklamať. Solárny článok funguje tak, že absorbuje svetlo a premieňa ho na elektrinu. Čím viac svetla prepustí, tým menej energie môže zachytiť. Preto tento typ článkov zatiaľ nedosahuje účinnosť klasických panelov.
Polopriehľadný článok z NTU s vrstvou 60 nanometrov dokázal prepustiť približne 41 percent viditeľného svetla a dosiahol účinnosť okolo 7,6 percenta. Nepriehľadný variant s vrstvou 60 nanometrov dosiahol účinnosť 12 percent. Aj keď sa tieto hodnoty nemôžu ani zďaleka porovnávať s komerčnými kremíkovými fotovoltickými panelmi, ktoré mávajú účinnosť medzi 18 a 24 percentami, v tomto segmente ide o špičku.
Napriek tomu mnohí odborníci tvrdia, že transparentná fotovoltika nemusí konkurovať klasickým panelom – môže ich dopĺňať. Mestá totiž obsahujú obrovské množstvo sklených plôch, ktoré dnes energiu nevyrábajú vôbec.
Budúcnosť patrí neviditeľnej energetike
Vývoj ultratenkých článkov ukazuje širší trend modernej energetiky. Technológie sa postupne presúvajú z veľkých centralizovaných zdrojov do samotných materiálov okolo nás. Vedci dnes experimentujú s fotovoltickými farbami, so solárnymi fóliami, s energetickými textíliami či dokonca s dvojrozmernými materiálmi hrubými iba niekoľko atómov. Niektoré štúdie naznačujú, že budúce supertenké články by mohli využívať kvantové štruktúry alebo fotonické kryštály na efektívnejšie zachytávanie svetla.
Možno teda smerujeme do sveta, kde elektrinu nebudú vyrábať iba strechy pokryté panelmi. Energetickým zdrojom sa môžu stať samotné budovy, okná, autá či každodenné predmety, a to tak nenápadne, že si ich prítomnosť takmer nevšimneme.
Zdroje: Nanyang Technological University, ACS Energy Letters, Advanced Optical Materials, Pensylvánska štátna univerzita, Engineering, Optics
(RR)
