Naše panely budou účinnější, bude to takové fotovoltaické ferrari, říká fyzik Martin Ledinský

Za necelé tři roky by v Evropě měly díky projektu Pilatus vzniknout tři pilotní linky na celý výrobní cyklus inovativních křemíkových solárních panelů. Speciální technologie s kontakty na spodní straně panelů umožní fotovoltaickým článkům přeměnu energie vyšší než 26 procent. Dnes se přitom účinnost nových vyráběných článků pohybuje okolo 22 procent, také proto se o panelech nové generace hovoří jako o fotovoltaickém ferrari. Projekt má pomoci snížit závislost Evropy na čínské produkci.

„Pokud chceme být konkurenceschopní, musíme přijít s novou, vysoce účinnou technologií, díky které bude fotovoltaika cenově dostupná a zároveň splní přísné ekologické požadavky. Proto budeme pro výrobu tohoto fotovoltaického ‚ferrari‘ využívat z velké části energii z norských vodních elektráren a minimalizovat tak jeho uhlíkovou stopu,“ říká Martin Ledinský, jehož tým z Fyzikálního ústavu Akademie věd se na evropském projektu podílí.

Plánovaná linka na výrobu fotovoltaických modulů má zvýšit současnou celkovou evropskou kapacitu výroby fotovoltaických článků o třicet procent. Pokud se projekt ukáže jako životaschopný, bude následovat druhá fáze – továrna s roční výrobní kapacitou několika gigawattpeaků.

Evropa se zbavuje závislosti na ruském plynu a ropě, ale zůstává jí závislost na Číně – například právě ve fotovoltaice, která hraje jednu z klíčových rolí v evropské energetické nezávislosti. Skutečně je „solární spojení“ s Čínou tak enormní?

Máme opravdu problém, protože z Číny pochází 97 procent celosvětové produkce solárních článků. Pokud se z toho jedna třetina instaluje v Evropě, měli bychom přemýšlet o tom, jak to řešit. Není dobré být při výrobě významného energetického zařízení závislý na jediném státu, který navíc není – kulantně řečeno – politicky předvídatelný. To je zásadní motivace, proč vyrábět fotovoltaiku v Evropě. Není jiná možnost, prostě musíme.

Bioplyn či soláry. Moderní technologie se českým farmářům vyplatí

Zemědělským firmám v Česku loni stoupl zisk o 142 procent na 22 miliard korun. Daří se i podnikům, které jsou součástí Verdi fondu farem, jenž jako první v republice vsadil na rozvoj zemědělských firem.

Zemědělským firmám v Česku loni stoupl zisk o 142 procent na 22 miliard korun. Daří se i podnikům, které jsou součástí Verdi fondu farem, jenž jako první v republice vsadil na rozvoj zemědělských firem.

Proč vlastně nastala situace, že jsme na Číně do takové míry závislí?

Ještě v roce 2009 se v Evropě vyrábělo okolo čtyřiceti procent celosvětové produkce fotovoltaiky. Pak se ale veškeré know-how vystěhovalo do Asie. Evropa usoudila, že už není potřeba další vývoj podporovat, protože už jde jenom o výrobu. Nebyl to správný odhad, což dnes vidíme právě u Číny, která dobře vyhodnotila potenciál fotovoltaiky, zainvestovala ji a všechny převálcovala.

Teď ovšem existuje evropský projekt Pilatus, do něhož se zapojil také Fyzikální ústav Akademie věd a který má řešit právě ohromnou evropskou závislost na čínské solární produkci. S čím přesně počítá?

Pilatus je jedním ze tří podobných projektů, na které Evropská unie vsadila a jejichž cílem je vybudování výrobních kapacit. Nejde tedy o žádný teoretický fotovoltaický koncept, plán, který by se mohl realizovat za desítky let. Jedná se o konkrétní program, který má do průmyslu přinést řešení, jakým způsobem v Evropě solární panely vyrábět. Tedy vysoce aplikovaný projekt, jaký ve Fyzikálním ústavu příliš často neřešíme. Ambicí Pilatu je kompletní cyklus fotovoltaiky – od výroby krystalů křemíku přes solární články až po finální produkt.

Které země jsou do programu zapojené?

Jeho součástí je osmnáct partnerů, většinou to jsou firmy – právě proto, že jde o aplikovaný projekt. Vedle Česka je tam Německo, Švýcarsko, Itálie, Británie, Belgie, Nizozemsko nebo Norsko, kde předpokládáme výrobu monokrystalů křemíku.

Jakou částkou Evropská unie projekt podporuje?

Evropský grant Horizont počítá s částkou 10,5 milionu eur, ale to zdaleka nestačí k tomu, aby se vybudovala kompletní výrobní linka. Z velké části do projektu míří privátní peníze. Nosnou firmou je významná švýcarská společnost Meyer Burger, která vyrábí solární panely v Německu. Nová linka už se připravuje, už existuje na papíře, začínají se dodávat jednotlivé komponenty. Jde vlastně o tři linky: první na pěstování – nebo chcete-li růst – krystalů křemíku vznikne v Norsku, protože je tam levná vodní energie. To je asi jediná možná cesta, jak konkurovat relativně levné čínské produkci. Další dvě linky v Německu už jsou v režii právě švýcarské společnosti Meyer Burger. První je na výrobu solárních článků, druhá na kompletní fotovoltaické moduly.

Podle představených plánů by pilotní linky měly vzniknout do roku 2025. Stihne se to?

Firma Meyer Burger to určitě zvládne. Jsem přesvědčený o tom, že by je postavila i bez evropské pomoci. Už do toho investovala nemalé peníze, je to součást jejích rozvojových plánů. V Evropě pořád je značné know-how, fotovoltaika tady začínala, má tu velkou tradici. Teď je zapotřebí přenést to do průmyslu.

A Norsko zvládne v plánovaném termínu postavit svou linku?

Není tam žádný problém s nedostatkem elektřiny ani s místem. Může být pouze problém s růstovými aparaturami, které se vyrábějí opět v Číně. Může se stát, že Čína nebude chtít podporovat výrobu fotovoltaiky na jiném místě. Těžko říct, jestli se uchýlí třeba k nějakým obstrukcím. Já si myslím, že Čína nás teď nevnímá jako velkou konkurenci. Fotovoltaické panely se tam vyrábějí v obrovských objemech. Mají i početné skupiny vědců a dalších odborníků, kteří neustále pracují na optimalizaci výroby, co ještě zlepšit.

Jak moc je pěstování křemíkových krystalů energeticky náročné?

Křemík se vyrábí z písku, což je výhoda, protože ho máme relativně hodně. Vyrobit z něj krystaly ale není zase tak jednoduché. V jedné fázi se musí samotný křemík roztavit, k čemuž je zapotřebí teplota 1,4 tisíce stupňů Celsia. Energetická náročnost tohoto procesu je opravdu obrovská.

Jedním z cílů evropského projektu Pilatus je minimalizace uhlíkové stopy při výrobě fotovoltaických panelů…

Je to jedna z věcí, které můžeme nabídnout oproti fotovoltaickým článkům z Číny, kde si s ekologickou výrobou krystalů křemíku hlavu nelámou. Když potřebují, spálí více uhlí. Nebo když je nedostatek elektřiny, jako tomu bylo zhruba před rokem, na přechodnou dobu přestanou křemík pěstovat – což mimochodem vedlo ke zvýšení jeho ceny. Snahou projektu Pilatus je být schopen cenově konkurovat Číně a současně má být zelený, ekologický. Cena není všechno, je zapotřebí myslet i na to, jakým způsobem se produkt vyrábí. Pokud bychom chtěli být ve fotovoltaice alespoň zčásti soběstační, muselo by se v Evropě postavit několik továren na výrobu panelů. Každá by musela mít výkon zhruba pět gigawattpeaků ročně. A to představuje investice ve výši miliard eur.

Zatím jsme mluvili o příspěvku Švýcarska, Německa nebo Norska do společného evropského projektu. Jak se na něm podílejí další země?

Mluvíme o celém cyklu, řeší se tedy například i to, jak vysloužilé panely recyk­lovat. Pak je tu rovněž sociologický pohled, pohled veřejnosti na výrobu energie ze slunce, jak jí tuto problematiku vysvětlovat. Kupříkladu u nás má fotovoltaika u části obyvatel stále špatné jméno, což je pozůstatek z let, kdy stát solární elektrárny dotoval, ale nebylo to úplně domyšlené.

Jak se na evropském projektu podílí váš Fyzikální ústav?

Disponujeme nápadem, který vznikl už před lety, když jsem byl na postdoktorském studiu v École polytechnique fédérale de Lausanne ve Švýcarsku, kde tenkrát zkoumali fotovoltaické články, které mají kontakty pouze na zadní straně. Metalické pásky vpředu fungují vlastně jako zrcadlo, odrážejí světlo pryč. A když nejde dovnitř panelu, nemůže vyrobit elektřinu. Když dám pásky spolu s dalšími kontakty dozadu, ze slunečné strany nic nestíní, čímž zvyšuji výkon i účinnost panelu. Toto řešení zatím není ve fotovoltaice standardní, to si na rodinný dům nekoupíte, je to novinka.

Zdá se to jako logické řešení, proč se ještě takové panely ani v Číně ve velkém nevyrábějí?

Je to o hodně technicky komplikovanější. Ve Švýcarsku ale našli relativně jednoduchý proces, jak to udělat. A ten jsme posledních deset let rozvíjeli. Naším úkolem je dívat se na zadní kontakty, zjistit, jestli není něco špatně, jestli se mezi nimi například nedělá zkrat. Jsou to velmi tenké vrstvy, dvacet třicet nanometrů, které běžným okem neuvidíte. Vymysleli jsme techniku, jak tyto vrstvy zobrazit a při výrobě je kontrolovat. Naším úkolem vlastně je, aby každý článek, který projede výrobní linkou, měl fotku zadních kontaktů, aby bylo vidět, jestli je všechno v pořádku, a rozhodnout, jestli je smysluplné pokračovat ve výrobním procesu.

Znamená to tedy, že se tyto nové panely s kontakty „na zádech“ budou vyrábět už na chystaných pilotních linkách?

Přesně tak. Na konci linky bude mechanismus, který každý panel zkontroluje. Jinak by se musel prověřovat elektricky, což samozřejmě také jde, ale v konečném součtu by se výroba značně prodražila.

O panelech, respektive článcích s kontakty na zadní straně, mluvíte jako o „fotovoltaickém ferrari“. Je to právě kvůli vyšší účinnosti panelu?

Ano, kontakty nahoře zabírají asi čtyři procenta plochy, takže se relativní účinnost zvýší právě o tato čtyři procenta.

Čtyři procenta jsou hodně?

Ve fotovoltaice je to hodně. Pokud se dnes nejúčinnější fotovoltaické články blíží k pětadvacetiprocentní účinnosti, jsou čtyři procenta z tohoto podílu opravdu dost. Znamená to, že se dostáváme na celkovou účinnost 26 procent. Jen připomenu, že průmysl dnes hledá každou desetinku, jak účinnost zvýšit. Každá taková desetinka je nesmírně drahá. Náš koncept je tedy o level výše.

Pětadvacetiprocentní články jsou dnes už běžné?

To jsou nejlepší křemíkové články, které v současnosti existují. Běžný je ale spíše článek o účinnosti 22 nebo 22,5 procenta. Účinnost je dnes zcela zásadní, za dva tři roky budeme opět někde jinde, přejde se ve velkém na technologie, které sice ještě budou mít kontakty nahoře, ale budou o několik procent účinnější. Přiblíží se právě k oněm 25 procentům účinnosti. Ale výš už to moc nepůjde, naše řešení s kontakty zespodu by mělo přinést technologický náskok. Jde také o cenu fotovoltaického zařízení.

Jak to myslíte?

Dnes tvoří samotný fotovoltaický panel asi čtyřicet procent ceny systému, zbylých šedesát procent představují měnič, kabely, instalační zařízení. Zvláště když se panely montují na střechu, tvoří samotné moduly ještě menší část výdajů. Proto je důležité mít co největší účinnost, protože to zmenšuje plochu potřebnou pro celkový výkon, a snižuje tedy ve výsledku celkovou cenu. V takovém případě si mohu dovolit i o něco dražší panel, ale pořád se to vyplatí, protože celkové instalační náklady budou nižší.

Mluvíte o účinnosti 26 procent jako o revoluční změně. Ale například špičkové, i když neekologické uhelné elektrárny překračují i čtyřicetiprocentní hranici. Je u fotovoltaiky reálné, aby se někdy dostala výrazně nad třicet procent?

U křemíkové fotovoltaiky jsme omezeni určitým limitem, který je dán fyzikálními, termodynamickými zákony. Jde konkrétně o 29,4 procenta. To je maximum, co z fotovoltaického křemíkového článku mohu dostat. Problém je v tom, že křemíková fotovoltaika umí využít jen část slunečního spektra, ta infračervená prolétne bez užitku, i když v ní je také energie. Takže vidíte, že námi dosažená hodnota 26 procent je maximu ve výši 29,4 procenta už hodně blízko. Existují lepší materiály, například galium arsenid má limit 32 procent. Je to sice o něco lepší, ale na druhou stranu nic převratného. I tak se ale dá pokračovat výše.

Jakým způsobem?

Když se spojí více článků na sebe, vytvoří se tandemový fotovoltaický článek. Je to systém, kterému se ve Fyzikálním ústavu také věnujeme. Jde o to, že se na křemíkový článek nanese vrstva jiného materiálu, který umí zpracovat nevyužitou část slunečního spektra. Nejčastěji to jsou halidové perovskity. Je to možnost, jak třicetiprocentní hranici výrazně překonat. Naši kolegové ze Saúdské Arábie, s nimiž spolupracujeme, drží aktuální světový rekord s článkem na tomto principu, u něhož se dostali na hodnotu 33,2 procenta. Je to sice jen malý článek v laboratorních podmínkách, ale nevidím žádný důvod, proč by to v budoucnu nemohlo fungovat na celém fotovoltaickém panelu. Těžko říct, jak daleko jsou v Číně, kde jsou výzkumné instituce přímo u výrobních firem. Rádi se sice podívají, jak jsme na tom my, ale své výsledky obvykle nepouštějí ven.

Může být na fotovoltaickém panelu více vrstev, nebo jsou tyto možnosti omezené jen na dvě?

Pokud jde o absolutní fotovoltaický rekord, takový solární článek se skládá z pěti jednotlivých fotovoltaických cel s celkovou účinností 48 procent. Myslím, že to je zatím maximum, co bylo kdy dosaženo. Jenže toto řešení se neomezuje pouze na několik vrstev, sluneční světlo se ještě uměle znásobuje, takže na článek dopadá sice stejné spektrum, ale z mnohonásobně více sluncí. Je to sice teoreticky použitelný koncept, ale využití v praxi je zatím nemyslitelné. Kdybych dal takový článek do normálního provozu, myslím, že by ve výsledku nefungoval moc dobře.

Vámi zmiňovaný halidový perovskit by v budoucnu mohl nahradit současný křemík?

Jsou optimálně sladěné na to, aby ležely jeden na druhém. Kdybych vyráběl články jen z halidového perovskitu, zůstal bych u maximálního limitu okolo 25 procent. Když se to zkombinuje, dostanu se nad 33 procent. A v budoucnu ještě výš, toto není konečná hranice. Teoretický limit je až čtyřicet procent. Myslím, že reálný je okolo 35 procent.

Jak se halidové perovskity vyrábějí?

Jsou to polovodiče, velmi zajímavý materiál, optimální pro fotovoltaiku, kde se využívá velmi tenká vrstva okolo 300 nanometrů, přičemž křemík je o tři řády silnější. Připravují se chemickou cestou, obsahují olovo, jod a organický kationt. Průmysl je ale samozřejmě nastavený tak, že by chtěl pokračovat v křemíkové technologii, protože právě do ní investoval. Pokud by se však na konec výrobní linky přistavěla ještě jedna část, kde by se nanášela ještě perovskitová vrstva, mohly by články fungovat lépe, s vyšší účinností. Ovšem technologicky to samozřejmě zatím není vyřešené, problémů k řešení tam je ještě spousta.